Современные представления происхождения Вселенной (теория Большого взрыва)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет ХТ ЗДО

РЕФЕРАТ

по дисциплине: Философия

Тема: Современные представления происхождения Вселенной (теория Большого взрыва)

Выполнил:

студент 1 курса спец. 22077-11с

И.С. Авдеев

Красноярск 2014

Введение

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. Всякое подлинно научное исследование признаёт объективное существование, материальность Вселенной. Проблемы зарождения и существования Вселенной занимали самого древнего человека. Небо, которое было доступно его обозрению, было для негоочень интересно. Недаром астрономия считается одной из самых древних наук о природе. Не потерял интереса к изучению проблем космоса и современный человек, но он смотрит глубже, его уже интересует не просто выяснение вопроса, что есть Вселенная? Современные ученые ищут ответы на следующие вопросы: а) Что было, когда Вселенная рождалась? б) Как давно это было и как происходило? в)Рождалась ли Вселенная вообще или она глобально стационарна? Для поиска ответов на эти непростые вопросы в астрономии появилась новая отрасль - космология.

По определению А.Л. Зельманова (1913-1987) космология - это совокупность накопленных теоретических положений о строении вещества и структуре Вселенной, как цельного объекта, так и отдельные научные знания охваченного астрономическими наблюдениями мира как частиВселенной.

Космология стала искать различные варианты ответов на поставленные вопросы, выдвигать различные теории и гипотезы. Так появилась Теория Большого взрыва и гипотезы, описывающие первые мгновения рождения Вселенной, ее структуризацию и развитие. Космология, как и любая современная наука, сегодня бурно живет и развивается, в большей мере за счет «альтернативных теорий».

Все это позволяет человечеству точнее понять сущность физических процессов, дает возможность ученымпрогнозировать дальнейшую эволюцию Вселенной. Поэтому целями реферата являются: освещение проблемы происхождения Вселенной, в частности теории Большого взрыва, первые этапы жизни Вселенной, перспективы ее развития. Субъект изучения: происхождение Вселенной. Вселенная как объект космологии.

вселенная большой взрыв эволюция

1. Основная часть

1.1 Вселенная как объект космологии

Как мы уже поняли: Вселенная является предметом изучения космологии.Космология - это та общая часть математики, физики, астрономии и философии, в которой изучается структура, эволюция и физические законы Вселенной как единого целого.

Целостное представление о Вселенной ставит космологию в особое положение по отношению к другим наукам. Действительно, если любая другая наука может исследовать свой предмет со всех сторон и в полном объёме, то исследователю Вселенной доступна только часть предмета исследования.Так как целое может обладать такими качествами, которых нет у его частей, то становится понятным наличие тех затруднений, которые космология испытывала во все времена. А смысл этих затруднений всегда сводился к одному: никакая физическая теория не могла в полной мере объяснить наблюдаемые свойства Вселенной. Если же теорию каким-либо образом приспосабливали для описания одних свойств Вселенной, то появляющиеся при этом следствия не согласовывались с другими известнымиеё свойствами или выходили за пределы здравого смысла.

Усугубляет ситуацию и тот факт, что четырехмерное пространство-время в общей теории относительности (ОТО), которая является теоретическим фундаментом современной классической космологии, описывается десятью переменными, в то время как сама теория предлагает только шесть независимых уравнений. Поэтому неудивительно, что на одних только уравненияхОТО объективную картину мира никому построить до сих пор не удалось. Отсутствие однозначности в теории приводило к необходимости выдвижения определённых гипотез для объяснения тех или иных свойств Вселенной. Вот почему появилось так много различных моделей Вселенной, ни одна из которых, к сожалению, не удовлетворяет в полной мере всем требованиям законов логики и соответствия реальному миру.

В настоящее время официальной наукой общепринята концепция, согласно которой Вселенная появилась 20 млрд. лет тому назад в результате Большого Взрыва материи, находящейся до этого в чудовищно плотном и горячем состоянии. В дальнейшем материя расширялась, остывала, разделилась на вещество и электромагнитное поле, образовала галактики, которые, как считают, и по сей день продолжают удаляться друг от друга. Теоретической основой этой модели являются нестационарные решения уравненийЭйнштейна, полученные советским геофизиком и математиком Фридманом в начале 20-х годов, и концепция взрывного начала в динамике Вселенной, выдвинутая американским физиком Гамовым в конце 40-х годов ХХ века. Объективными свойствами Вселенной, якобы подтверждающими эту модель, являются открытое в 1929 г. американским астрономом Хабблом красное смещение спектров излучения галактик, пропорциональное расстояниюдо них, и обнаруженное в 1965 г. американскими радиоастрономами Вильсоном и Пензиасом микроволновое фоновое излучение космоса с температурой 2,7 градусов выше абсолютного нуля.

Первое из этих открытий было истолковано учёными как результат взаимного удаления галактик друг от друга, а второе - как остаток (реликт) того электромагнитного излучения, которое отделилось от вещества и остыло до указанной температуры в процессе расширенияВселенной. Между тем вышеуказанные свойства Вселенной не являются прямыми доказательствами ее расширения. Так, уменьшение частоты света может быть как результатом расширения Вселенной, так и результатом диссипации энергии света при его распространении на большие расстояния. Вопрос о модели и законах Вселенной сравним с вопросом о том, что первично: яйцо или курица.И если мы определяем космологию как науку о Вселенной, то сразу же упираемся в вопрос, что первично: модель Вселенной, из которой вытекают физические законы Вселенной, или физические законы Вселенной, на основе которых строится модель Вселенной? Очевидно, что на этот вопрос не нужно искать ответа, а нужно решать третий вопрос. Речь идет о соотношении и взаимосвязи таких философских категорий, как “целое” и “часть”, а также философскомзаконе о переходе количественных изменений в качественные. И здесь нужно двигаться строго параллельно. Чтобы изучить целое по его части, требуется непрерывная интеграция представлений о предмете исследования с самых разных точек зрения на каждом этапе его изучения и непрерывное согласование следствий разрабатываемой теории с объективной реальностью. Несоблюдение принципа соответствия, появление внутренних противоречий, сингулярностей и парадоксовпри применении созданной теории к описанию целого указывает на ложность того пути, по которому пошли исследователи. Именно такая ситуация и сложилась к настоящему времени в космологии, официальная теоретическая основа которой держится на идее Большого Взрыва.

1.2 Теория большого взрыва

Мы подошли к такому вопросу: какова научная достоверность теории «большого взрыва»?

Согласно теории Большого взрыва, Вселенная в момент образования была в чрезвычайно плотном и горячем состоянии, называемом космологической сингулярностью.

Большой взрыв (от англ. BigBang) -- гипотетическое начало расширения Вселенной, перед которым Вселеннаянаходилась в сингулярном состоянии.

По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,73 ± 0,12 млрд. лет назадиз 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 наступленияПланковской эпохи (Планковское время -- 10?43 секундпосле 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 инейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимноаннигилировали, 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 атомовводорода (до этого процессы ионизации и рекомбинациипротонов 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.

1.3 Начальное состояние Вселенной

Экстраполяция наблюдаемого расширения Вселенной назад во времени приводит при использовании общей теории относительности и некоторых других альтернативных теорий гравитации к бесконечной плотности и температуре в конечныймомент времени в прошлом. Более того, теория не даёт никакой возможности говорить о чём-либо, что предшествовало этому моменту (лишь потому, что Большой взрыв радикально изменил законы Вселенной: при этом теория вовсе не отрицает возможность существования чего-либо до Большого взрыва), а размеры Вселенной тогда равнялись нулю -- она была сжата в точку. Это состояние называется космологической сингулярностью и сигнализирует о недостаточности описания Вселенной классической общей теорией относительности. Насколько близко к сингулярности можно экстраполировать известную физику, является предметом научных дебатов, но практически общепринято, что допланковскую эпоху рассматривать известными методами нельзя. Многие учёные полушутя-полусерьёзно называют космологическую сингулярность «рождением» (или «сотворением») Вселенной. Невозможность избежать сингулярности в космологических моделях общей теории относительности была доказана в числе прочих теорем о сингулярностях Р. Пенроузом и С. Хокингом в конце 1960-х годов. Её существование является одним из стимулов построения альтернативных теорий гравитации.

1.4 Дальнейшая эволюция Вселенной

Согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра -- средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого (известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнётся обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины средней плотности ещё недостаточно надёжны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.

Есть ряд вопросов, на которые теория Большого взрыва ответить пока не может, однако основные её положения обоснованы надёжными экспериментальными данными, а современный уровеньтеоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа -- порядка сотой доли секунды от «начала мира». Для теории важно, что эта неопределённость на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.

1.5 История открытия Большого взрыва

1916 -- вышла в свет работа физика Альберта Эйнштейна «Основы общей теории относительности», которой он завершил создание релятивистской теории гравитации.

1917 -- Эйнштейн на основе своих уравнений поля развил представление о пространстве с постоянной во времени и пространстве кривизной (модель Вселенной Эйнштейна, знаменующая зарождение космологии), ввёл космологическую постоянную Л. (Впоследствии Эйнштейн назвал введение космологической постоянной одной из самых больших своих ошибок; уже в наше время выяснилось, что Л-член играет важнейшую роль в эволюции Вселенной). В. де Ситтер выдвинул космологическую модель Вселенной (модель де Ситтера) в работе «Об эйнштейновской теории гравитации и её астрономических следствиях».

1922 -- советский математик и геофизик Ал. Ал. Фридман нашёл нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной (нестационарная космологическая модель, известная как решение Фридмана). Если экстраполировать эту ситуацию в прошлое, то придётся заключить, что в самом начале вся материя Вселенной была сосредоточена в компактной области, из которой и начала свой разлёт. Поскольку во Вселенной очень часто происходят процессы взрывного характера, то у Фридмана возникло предположение, что и в самом начале её развития также лежит взрывной процесс -- Большой взрыв.

1923 -- немецкий математик Г. Вейль отметил, что если в модель де Ситтера, которая соответствовала пустой Вселенной, поместить вещество, она должна расширяться. О нестатичности Вселенной де Ситтера говорилось и в книге А. Эддингтона, опубликованной в том же году.

1924 -- К. Вирц обнаружил слабую корреляцию между угловыми диаметрами и скоростями удаления галактик и предположил, что она может быть связана с космологической моделью де Ситтера, согласно которой скорость удаления отдалённых объектов должна возрастать с их расстоянием.

1925 -- К. Э. Лундмарк и затем Штремберг, повторившие работу Вирца, не получили убедительных результатов, а Штремберг даже заявил, что «не существует зависимости лучевых скоростей от расстояния от Солнца». Однако было лишь ясно, что ни диаметр, ни блеск галактик не могут считаться надёжными критериями их расстояния. О расширении непустой Вселенной говорилось и в первой космологической работе бельгийского теоретика Жоржа Леметра, опубликованной в этом же году.

1927 -- опубликована статья Леметра «Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей». Коэффициент пропорциональности между скоростью и расстоянием, полученный Леметром, был близок к найденному Э. Хабблом в 1929. Леметр был первым, кто чётко заявил, что объекты, населяющие расширяющуюся Вселенную, распределение и скорости движения которых и должны быть предметом космологии -- это не звёзды, а гигантские звёздные системы, галактики. Леметр опирался на результаты Хаббла, с которыми он познакомился, будучи в США в 1926 г. на его докладе.

1929 -- 17 января в Труды Национальной академии наук США поступили статьи Хьюмасона о лучевой скорости NGC 7619 и Хаббла, называвшаяся «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей». Сопоставление этих расстояний с лучевыми скоростями показало чёткую линейную зависимость скорости от расстояния, по праву называющуюся теперь законом Хаббла.

1948 -- выходит работа Г. А. Гамова о «горячей вселенной», построенная на теории расширяющейся вселенной Фридмана. По Фридману, вначале был взрыв. Он произошёл одновременно и повсюду во Вселенной, заполнив пространство очень плотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались наблюдаемые тела Вселенной -- Солнце, звёзды,галактики и планеты, в том числе Земля и всё что на ней. Гамов добавил к этому, что первичное вещество мира было не только очень плотным, но и очень горячим.

Идея Гамова состояла в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходили ядерные реакции, и в этом ядерном котле за несколько минут были синтезированы лёгкие химические элементы. Самым эффектным результатом этой теории стало предсказание космического фона излучения. Электромагнитное излучение должно было, по законам термодинамики, существовать вместе с горячим веществом в «горячую» эпоху ранней Вселенной. Оно не исчезает при общем расширении мира и сохраняется -- только сильно охлаждённым -- и до сих пор.

Гамов и его сотрудники смогли ориентировочно оценить, какова должна быть сегодняшняя температура этого остаточного излучения. У них получалось, что это очень низкая температура, близкая к абсолютному нулю. С учётом возможных неопределённостей, неизбежных при весьма ненадёжных астрономических данных об общих параметрах Вселенной как целого и скудных сведениях о ядерных константах, предсказанная температура должна лежать в пределах от 1 до 10 К. В 1950 году в одной научно-популярной статье (PhysicsToday, № 8, стр. 76) Гамов объявил, что скорее всего температура космического излучения составляет примерно 3 К.

1955 -- Советский радиоастроном Тигран Шмаонов экспериментально обнаружил шумовое СВЧизлучение с температурой около 3K.[2]

1964 -- американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вилсон открыли космический фон излучения и измерили его температуру: и она оказалась равной именно 3 К. Это было самое крупное открытие в космологии со времён открытия Хабблом в 1929 году общего расширения Вселенной. Теория Гамова была полностью подтверждена. В настоящее время это излучение носит название реликтового; термин ввёл советский астрофизик И. С. Шкловский.

2003 -- спутник WMAP с высокой степенью точности измеряет анизотропию реликтового излучения. Вместе с данными предшествующих измерений (COBE, Космический телескоп Хабблаи др.), полученная информация подтвердила космологическую модель ЛCDM и инфляционную теорию. С высокой точностью был установлен возраст Вселенной и распределение по массам различных видов материи (барионная материя -- 4 %, тёмная материя -- 23 %, тёмная энергия --73 %).

2009 -- запущен спутник Планк, который в настоящее время измеряет анизотропию реликтового излучения с ещё более высокой точностью.

1.6 История термина

Первоначально теория Большого взрыва называлась «динамической эволюционирующей моделью». Впервые термин «Большой взрыв» применил Фред Хойл в своей лекции в 1949 (сам Хойл придерживался гипотезы «непрерывного рождения» материи при расширении Вселенной). Он сказал:

«Эта теория основана на предположении, что Вселенная возникла в процессе одного-единственного мощного взрыва и потому существует лишь конечное время… Эта идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной».

На русский язык BigBang можно было бы перевести как «Большой хлопок», что, вероятно, точнее соответствует уничижительному смыслу, который хотел вложить в него Хойл. После того, как его лекции были опубликованы, термин стал широко употребляться.

1.7 Гипотеза А.Ю. Глушко о причине, вызвавшей Большой взрыв

Когда-то вся материя, из которой теперь состоит наша Вселенная, была сосредоточена в одной точке или небольшой области микроскопических размеров. Не только материя, но и само пространство было сжато в точку, а время практически не шло. В какой-то момент произошёл Большой взрыв, в результате которого образовалось время, пространство начало расширяться, а материя в виде космической пыли разлетелась во всех направлениях. Впоследствии из этой пыли сформировались планеты, звёзды и чёрные дыры. Однако до сих пор учёные не знают, что вызвало Большой взрыв.

До момента Большого взрыва материя находилась в сжатом, сингулярном состоянии, то есть обладала бесконечно большой плотностью. Поэтому логично предположить, что точка, в которой была сосредоточена вся материя, являлась огромной чёрной дырой, так как чёрные дыры также представляют собой вещество, сжатое в точку или небольшую область. Назовём её гипер чёрной дырой. Для всего, что находится внутри любой чёрной дыры, время практически не идёт, и не только вещество, но и само пространство сжато в точку.

Причиной Большого взрыва стало столкновение двух гипер чёрных дыр, одна из которых состояла из материи, а другая - из антиматерии. Из-за высокой плотности вещества в чёрных дырах произошёл практически одновременный контакт огромного количества частиц и античастиц. В результате аннигиляции выделилось колоссальное количество энергии, которая стала энергией Большого взрыва.

Так случилось, что гипер чёрная дыра, состоящая из материи, содержала большее количество вещества, чем гипер чёрная дыра из антиматерии. Поэтому после аннигиляции часть материи уцелела. Из этих остатков материи теперь состоит наша Вселенная.

Если бы количество вещества в гипер чёрной дыре из антиматерии оказалось больше, чем в чёрной дыре из материи, тогда наша Вселенная состояла бы из антиматерии.

Механизм взрыва двух гипер чёрных дыр был следующим: В момент, предшествовавший столкновению, гипер чёрные дыры сблизились на такое расстояние, что их горизонты событий пересеклись между собой, но материя и антиматерия ещё не столкнулись. На короткий промежуток времени образовалась одна огромная гипер чёрная дыра с массой Mм+Мам и гравитационным радиусом rg = 2G(Mм+Мам)/c 2, где Мм и Мам- массы гипер чёрных дыр из материи и антиматерии соответственно. В следующий момент произошло столкновение. Из-за высокой плотности вещества огромное количество частиц и античастиц столкнулось практически одновременно. Внутри гипер чёрной дыры произошёл Большой взрыв. Антиматерия, которой было меньше, была полностью уничтожена, а часть материи уцелела. Энергия взрыва раскалила остатки сверхплотной материи до огромных температур, раздробив её и разбросав в пределах сферы, ограниченной горизонтом событий. В то же время в процессе аннигиляции резко уменьшилась масса гипер чёрной дыры, а следовательно её гравитационный радиус тоже уменьшился и стал равен rg = 2G(Mм-Мам)/c 2. Столь быстрое уменьшение гравитационного радиуса привело к тому, что значительная часть остатков материи оказалась за пределами горизонта событий. Это ещё больше уменьшило массу и гравитационный радиус чёрной дыры. В момент, когда вещество пересекало горизонт событий, для него образовывались время и пространство. Пространство, до этого момента сжатое в точку внутри чёрной дыры, начало стремительно расширяться, увлекая за собой раскалённую материю. Так начался процесс расширения нашей Вселенной.

Процесс превращения вещества в энергию является обратимым. В соответствии с формулой Эйнштейна Е=mс 2 не только масса может переходить в энергию, но и энергия может при определённых условиях переходить в массу. При этом обязательно образуется пара частиц - частица и её античастица. Поэтому логично предположить, что если где-то есть некоторое количество вещества, то в другом месте должно быть такое же количество антивещества. Если есть Вселенная, состоящая из материи, то где-то должна существовать Вселенная из антиматерии. Значит, в космосе могут быть не одна и не две, а сотни и тысячи Вселенных, каждая из которых образовалась в результате своего Большого взрыва.

Космос можно сравнить с озером, в которое падают дождевые капли. Когда капля падает на поверхность воды, от неё начинают расходиться круги. Момент падения капли в озеро - это момент Большого взрыва, а расходящиеся круги - разлетающиеся галактики. Круги от падения соседних капель могут пересекаться между собой. Точно так же разлетающиеся галактики и другие объекты могут перелетать из одной Вселенной в другую. В отличие от волн, расходящихся от падения дождевых капель в озеро, разлетающиеся галактики взаимодействуют между собой посредством гравитации. Чем ближе пограничные галактики соседних Вселенных приближаются друг к другу, тем сильнее сила притяжения, действующая между ними. 5,5 млрд. лет назад наша Вселенная начала расширяться со всё увеличивающимся ускорением. Значит, к этому времени она расширилась настолько, что гравитация соседних Вселенных начала оказывать заметное влияние на скорость разлёта галактик. Гравитация соседних Вселенных - это и есть природа тёмной энергии.

В каждой Вселенной могут образовываться чёрные дыры. Чёрные дыры постоянно поглощают вещество и сливаются между собой, наращивая при этом свою массу. Так с течением времени образуются гипер чёрные дыры. Вероятность образования гипер чёрной дыры наиболее велика на границе между Вселенными, состоящими из одного вида вещества, так как летящие навстречу друг другу объекты будут сталкиваться и объединяться между собой.

Возможно, астрономам уже удалось обнаружить одну из гипер чёрных дыр. В 2008 году учёные зафиксировали группу по крайней мере из 1400 скоплений, движущихся не хаотично, а упорядоченно. Эта группа получила название «тёмный поток». Упорядоченное движение такого большого количества скоплений может быть вызвано только силой притяжения очень тяжёлого объекта. Таким объектом может быть формирующаяся гипер чёрная дыра.

Гипер чёрные дыры настолько тяжёлые, что притягиваются даже на очень большом расстоянии. Когда гипер чёрные дыры из материи и антиматерии сталкиваются, происходит Большой взрыв и образование новой Вселенной. В зависимости от того, какая из гипер чёрных дыр содержит большее количество вещества, образуется Вселенная либо из материи, либо из антиматерии. Во вновь образовавшейся Вселенной в ходе её эволюции образуются чёрные дыры, которые затем становятся частью новой гипер чёрной дыры. Таким образом, процесс образования и гибели Вселенных является циклическим и идёт в космосе постоянно.

Если соседние Вселенные состоят из разного вида вещества, образование гипер чёрной дыры на границе между ними невозможно. Объекты из этих Вселенных будут сталкиваться между собой и аннигилировать, вызывая мощные всплески гамма-излучения, так как при аннигиляции материи и антиматерии энергия всегда выделяется в виде гамма-квантов. Мощность гамма-всплеска будет зависеть от массы более лёгкого из сталкивающихся объектов. Если объект из антиматерии попадёт в сверхмассивную чёрную дыру, находящуюся в центре галактики, гравитационный радиус этой чёрной дыры уменьшится, и она выбросит из себя часть вещества. Такое явление называют взрывом галактики. Если же столкнутся две летящие навстречу друг другу галактики, произойдёт мини-модель Большого взрыва. Находящиеся в их центрах чёрные дыры столкнутся и взорвутся, и во всех направлениях полетит либо материя, либо антиматерия, в зависимости от того, какая из чёрных дыр содержала большее количество вещества.

Гамма-всплески и Большие взрывы - это процессы превращения материи в энергию. Но энергия также может превращаться в материю и антиматерию. В космосе постоянно идут оба эти процесса. Если материи и антиматерии становится слишком много, возрастает вероятность гамма-всплесков и Больших взрывов. Если становится слишком много энергии - верх берут процессы превращения энергии в материю и антиматерию. Таким образом постоянно поддерживается баланс между веществом и энергией в космосе.

1.8 Теория Большого взрыва. Истина ли

Разумеется, не может быть полной уверенности в выводах, сделанных на границе человеческих знаний и основанных на рискованных экстраполяциях.

Но в самых общих чертах теория «большого взрыва» кажется вполне справедливой, и уж наверняка она представляет собой наилучшую из имеющихся в настоящее время рабочих гипотез. Во всяком случае, панорама, которую открывает нам эта теория, грандиозна и поистине захватывающа.

Был ли Большой взрыв? Академик Я.Б. Зельдович считал по этому поводу, что теория «Большого взрыва» в настоящий момент (то есть к 1983 году) не имеет сколько-нибудь заметных недостатков.

Можно даже сказать, что она столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени, и обе имели много противников, утверждавших, что новые идеи, заложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Но подобные теории не в состоянии препятствовать успеху новых теорий. На чем основана уверенность академика Я.Б. Зельдовича в справедливости теории «горячейВселенной»?

Имеется ряд данных, которые подтверждают теорию Большого взрыва. Во-первых, это данные о возрасте небесных тел. Мы знаем, что возраст Солнечной системы близок к 4,6 млрд. лет. Менее точно известен возраст самых старых звезд, скорее всего он близок к возрасту нашей и других галактик (10-15 млрд. лет). Следовательно, данные о возрасте небесных тел сопоставимы с данными о возрастеМетагалактики.

Второе подтверждение состоит в том, что данные радиоастрономии свидетельствуют, что в прошлом далекие внегалактические источники радиоизлучения излучали интенсивней, чем сегодня, следовательно, эти источники эволюционируют. Факт, что радиогалактики и квазары эволюционируют, причем время их эволюции совпадает со временем существования Метагалактики, говорит в пользу теории Большого взрыва. Третьим важным подтверждением рассматриваемой теории, является наблюдаемая распространенностьхимических элементов с тем соотношением гелия и водорода (1/4 и 3/4 соответственно), которое возникло во время первичного термоядерного синтеза. Главным же подтверждением теории Большого взрыва («горячей Вселенной») считается открытие реликтового излучения. Для космологии это явление имеет фундаментальное значение, сравнимое по значению с открытием расширения Метагалактики. В чем суть открытого реликтового излучения?

Так называемый «отрыв» излучения от вещества происходил, когда температура в расширяющейся Вселенной была порядка 3000-4000 К. В ходе последующего расширения Вселенной температура снижалась, но характер излучения (его спектр) сохранился до наших дней, напоминая о далекой «молодости» Метагалактики. Советский астрофизик И.С. Шкловский предложил называть это излучение реликтовым.

Теория предсказала существование реликтового излучения. В конце 60-х годов группа американских ученых во главе с Р. Дикке приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение. Но их опередили А. Пензиас и Р. Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую премию за открытие микроволнового фона (это официальное название реликтового излучения) на волне 7,35 см. Примечательно, они не искали реликтовое излучение, а в основном занимались отладкой радиоантенны для работы по программе спутниковой связи. С июля 1964 г. по апрель 1965 г. они при различных поло-жениях антенны регистрировали космическое излучение, природа которого первоначально была им не ясна. Этим излучением и оказалось реликтовое излучение. 3. Проблемы теории Большого взрыва Теория Большого взрыва захватывает воображение и мало кого оставляет равнодушным. Создается впечатление, что она основана на фактическом материале и подкреплена математическими выкладками и поэтому большинству людей она кажется более приемлемой, чем религиозное объяснение возникновения Вселенной. Однако, по мнению ряда ученых-космологов, рассматриваемая теория является лишь последней из целого ряда попыток объяснить зарождение Вселенной с позиций физического мировоззрения, согласно которому мир представляет собой порождение материи, функционирующей в строгом соответствии с законами физики. Попытки ученых создать такую физическую модель происхождения Вселенной основываются на трех аксиомах: все явления природы могут быть полностью объяснены физическими законами, выраженными в математической форме; эти физические законы универсальны и не зависят от времени и места; все основные законы природы просты. Доказать истинность этих постулатов непросто. Поэтому нельзя исключать, что в основе Вселенной лежат принципиально иные законы, не поддающиеся простомуматематическому описанию.

Существует психологическая причина, заставляющая ученых придерживаться такого взгляда: если структура Вселенной может быть описана простыми физическими законами, появляется надежда рано или поздно понять эту структуру. Если допустить, что наша Вселенная бесконечно сложна, то нужно признать, что человеку с его ограниченным умом, знаниями и возможностями будет очень трудно понять ее структуру. Следует признать возможность того, что представления ученыхо том, что физические законы открытые ими в лабораториях, на Земле, действуют во всей Вселенной и на всех этапах ее эволюции, мягко говоря, необоснованны. С одной стороны без таких допущений не может обойтись ни одна попытка объяснения происхождения Вселенной, ведь мы не можем вернуться на миллиарды лет назад и получить прямую информацию о зарождении нашей Вселенной. С другой стороны, многие ученые признают рискованность переноса наших весьма ограниченныхзнаний на мироздание в целом. Возможно, сама попытка создать простую математическую модель Вселенной не вполне корректна и сопряжена с трудностями принципиального характера. Первой проблемой является понятие «сингулярности». В попытке физически описать исходное состояние Вселенной мы натыкаемся на препятствие. Вопрос в том, является ли это препятствие преодолимым.

Может все наши попытки научно описать исходное состояние Вселенной, заранее обречены на неудачу? Этот вопрос, а также концептуальные трудности, связанные с описанием сингулярной точки в исходный момент времени, являются одной из основных проблем современной научной мысли. На сегодняшний день это препятствие не смогли преодолеть даже самые выдающиеся ученые, разрабатывающие теорию Большого взрыва.

Таким образом, данная теория сталкивается с непреодолимыми проблемами буквальнос самого начала, в большинстве научно-популярных изложений теории большого взрыва сложности, связанные с исходной сингулярностью либо замалчиваются, либо упоминаются вскользь. Если какая-либо модель Вселенной постулирует сингулярность, это, несомненно, создает большие теоретические трудности. Пытаясь уйти от ответа на вопросы, касающиеся сингулярности, ученые предложили теорию так называемой «Бесконечно пульсирующей Вселенной».

В соответствии с этой теорией,Вселенная расширяется, а затем сжимается до сингулярности, затем вновь расширяется и снова сжимается. Эта теория, на первый взгляд, снимает вопрос о происхождении Вселенной - у нее нет начала и конца, она существует вечно. Но до сих пор никто не смог удовлетворительно объяснить механизм пульсирования. Кроме этого С. Вайнберг в своей работе «Первые 3 минуты» утверждает, что каждый цикл расширения и сжатия должен приводить к определенным прогрессирующим изменениям, а это значит, что у Вселенной должно быть начало, иначе вся история Вселенной будет регрессом, растянувшимся на вечность. Физик А. Гут из Массачусетского технологического института предложил свою теорию Большого взрыва, которая объясняет спонтанное возникновение этой организации, устраняя необходимость искусственно вводить точные параметры в уравнения, описывающие исходное состояниеВселенной. Его модель была названа «инфляционной Вселенной».

Суть ее в том, что внутри быстро расширяющейся, перегретой Вселенной небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширяться быстрее, подобно тому, как переохлажденная вода стремительно замерзает, расширяясь при этом. Эта фаза быстрого расширения позволяет устранить некоторые проблемы, присущие стандартной теорииБольшого взрыва. Однако и эта модель не лишена недостатков и основным является то, что для того, чтобы уравнения Гута правильно описывали инфляционную Вселенную, ему пришлось очень точно задать исходные параметры для своих уравнений. Гут и его соавтор П. Штайнгарт признают, что в их модели расчеты приводят к приемлемым результатам только в случае, если заданные исходные параметры уравнений варьируют в очень узком диапазоне.

Большинство теоретиков (включая и нас самих) считают исходные условия маловероятными. Все современные космологические теории опираются не только на классическую физику, но и на квантовую механику, которые принципиально отличается друг от друга. Если классическая физика занимается описанием поведения материальных объектов, то квантовая механика сосредоточена только на математическом описании процессов наблюдения и измерения.

Таким образом, вещественная материальная реальность исчезает из ее поля зрения. В квантовой механике наряду с объектом и инструментами исследования третьим элементом анализируемой картины становится наблюдатель. Поэтому применение квантовой механики для описания Вселенной сопряжено с трудностями, ведь по определению все наблюдатели являются частью Вселенной и лишены возможности быть сторонним наблюдателем.

В попытке сформулировать версию квантовой механики, которая не нуждается в постороннем наблюдателе, известный физик Дж. Уилер предложил модель, в соответствии с которой Вселенная постоянно расщепляется на бесконечное количество копий. Каждая параллельная Вселенная имеет своих наблюдателей, которые видят данный конкретный набор квантовых альтернатив, и все эти Вселенные реальны. В. Вит писал о своей реакции на эту теорию в журнале «Physicstoday»: «Я до сих пор помню потрясение, которое испытал, впервые ознакомившись с теорией множественности миров. Мысль о том, что каждое мгновение из меня появляется 10 в 100-ой степени, слегка отличающихся друг от друга двойников, и каждый из них продолжает беспрестанно делиться пока не изменится до неузнаваемости, не укладывается в рамки здравого смысла.

Вот поистине картина бесконечно прогрессирующей шизофрении…». Мало того, что теория относительности и квантовая механика сами по себе в применении к космологии дают нелепые и фантастические модели, большинство ученых возлагают большие надежды на несозданную еще теорию единого поля, которая должна объединить в себе теорию относительности и квантовую механику (теории, противоречащие друг другу). Таким образом, все теории Большого взрыва не могут претендовать на роль научного объяснения происхождения Вселенной. Однако ряд ученых в своих выступлениях в популярных передачах, в своих публикациях в научно-познавательных журналах и в учебниках представляют дело так, как будто им удалось объяснить происхождение Вселенной. Трудно представить себе что-либо более далекое от истины. 4. Будущее Вселенной Современная наука, рассматривая дальнейшую судьбу Вселенной, останавливается на двух вариантах - открытой и замкнутой Вселенной. Если предположить, что Вселенная замкнута, в этом случае в течение 40-50 миллиардов лет ничегосущественного не произойдет. Галактики будут все дальше разбегаться друг от друга, пока в какой-то момент самые дальние из них не остановятся и Вселенная не начнет сжиматься.

На смену красному смещению спектральных линий придет синее. К моменту максимального расширения большинство звезд в галактиках погаснет, и останутся в основном небольшие звезды, белые карлики и нейтронные звезды, а также черные дыры, окруженные роем частиц - вбольшинстве своем фотонов и нейтронов. Наконец, через примерно 100 миллиардов лет начнут сливаться воедино галактические скопления; отдельные объекты сначала будут сталкиваться очень редко, но со временем Вселенная превратится в однородное «море» скоплений. Затем начнут сливаться отдельные галактики, и, в конце концов, Вселенная будет представлять собой однородное распределение звезд и других подобных объектов.

Станут образовываться, и расти черные дыры. Будет повышаться температура фонового излучения; в конце концов, она почти достигнет температуры поверхности Солнца и начнется процесс испарения звезд. Перемещаясь на фоне ослепительно яркого неба, они подобно кометам будут оставлять за собой состоящий из паров след. Но вскоре все заполнит рассеянный туман и свет звезд померкнет.

Вселенная потеряет прозрачность, как сразу же после Большого взрыва. По мере сжатия Вселенная, естественно, будет проходить те же стадии, что и при создании Вселенной, но в обратном порядке. Температура будет расти, и сокращающиеся интервалы времени начнут играть все большую роль. Наконец галактики тоже испарятся и превратятся в первичный «суп» из ядер, а затем распадутся и ядра. На этом этапе Вселенная станет крохотной и состоящей только из излучения кваркови черных дыр. Что будет дальше - неизвестно, поскольку нет теории, которая годилась бы для описания сверхбольших плотностей, возникающих до появления сингулярности, можно лишь строить предположения.

В теории замкнутой Вселенной появилась так называемая идея «отскока» - внезапного прекращения сжатия, нового Большого Взрыва и нового расширения. Одной из причин первоначального введения идеи отскока была возможность обойти неприятную с точки зрения многих астрономов проблему возникновения

Вселенной. Если отскок произошел один раз, то он мог случаться неоднократно, может быть, бесчисленное количество раз, поэтому не нужно и беспокоиться о начале времен. К сожалению, при подробной проработке такой идеи оказалось, что, и отскок не решает проблемы. В интервалах между отскоками звезды излучают значительное количество энергии, которая затем концентрируется при достижении состояния, близкого к сингулярности.

Эта энергия должна постепенно накапливаться, из-за чего промежуток времени между последовательными отскоками будет возрастать. Значит, в прошлом эти промежутки были короче, а когда-то, в пределе, промежутка не было вовсе, т. е. мы приходим к тому, чего старались избежать проблеме начала Вселенной. Согласно расчетам, от начала нас должно отделять не более 100 циклов расширений и сжатий. Весьма интересную, но очень спорную теорию предложилДжон Уилер. Воспользовавшись идеей Хокинга, согласно которой фундаментальные константы «теряют» свои числовые значения при достаточно высоких плотностях, он показал, что цикл осцилляции не обязательно должен удлиняться. Из-за принципа неопределенности значения констант утрачиваются, когда Вселенная сжимается до почти бесконечной плотности. После возможного отскока и нового расширения эти константы могут получить совершенно иные значения.

Продолжительность циклов в таких обстоятельствах также будет меняться, но случайным образом; одни циклы станут очень длинными, а другие короткими. Согласно противоположной теории, открытая Вселенная будет расширяться вечно. Первые события будут, конечно, аналогичны тем, которые происходят в замкнутой Вселенной. Звезды постепенно постареют, превратившись с течением времени в красных гигантов, либо взорвутся, либо медленно сколласируют и умрут.

Некоторые из них, прежде чем погаснуть, столкнутся с другими звездами. Такие столкновения очень редки, и с момента образования нашей Галактики (по крайней мере, в ее внешних областях, где мы обитаем) их было совсем немного. Однако за триллионы и триллионы триллионов лет таких столкновений произойдет множество. Часть из них лишь сбросит в пространство планеты, а в результате других звезды окажутся на совершенноиных орбитах, некоторые даже вне пределов нашей Галактики. Если подождать достаточно долго, то нам покажется, что внешние области галактик испаряются. Не выброшенные из галактик звезды в результате столкновений, скорее всего, будут притягиваться к центру, который, в конце концов, превратится в черную гигантскую дыру.

Примерно через 10(18) лет большинство галактик будет состоять из массивных черных дыр, окруженных роем белых карликов, нейтронных звезд, черных дыр, планет и различных частиц.

Дальнейшие события вытекают из современной единой теории поля, на-зываемой теорией великого объединения. Из этой теории следует, что протон распадается примерно за 10(31) лет. Сейчас ведется несколько экспериментов по обнаружению такого распада, а значит, и по проверке теории, согласно ей, протоны должны распадаться на электроны, позитроны, нейтрино и фотоны.

Отсюда следует, что, в конце концов, все, что состоит во Вселенной из протонов и нейтронов (а их не содержат только черные дыры), распадется на эти частицы. Вселенная превратится в смесь из них и черных дыр, и будет находиться в таком состоянии очень, очень долго. Фоновое излучение к тому времени будет очень холодным, но все же его температура останется чуть выше, чем у черных дыр. Однако по мере расширенияВселенной ситуация изменится -- температура излучения станет ниже, чем на поверхности черных дыр, и те начнут испаряться, медленно уменьшаясь в размерах; на это потребуется примерно 10(100) лет. Затем Вселенную заполнят электроны и позитроны, которые, вращаясь, друг вокруг друга, образуют огромные «атомы». Но постепенно позитроны и электроны, двигаясь по спирали, столкнутся и аннигилируют, в результате чего останутся только фотоны. Во Вселенной не будет ничего, кроме излучения.

Одна из трудностей, на которую наталкивается традиционная теория Большого взрыва необходимость объяснить, откуда берется колоссальное количество энергии, требующееся для рождения частиц. Не так давно внимание ученых привлекла видоизмененная теория Большого взрыва, которая предлагает 1 ответ на этот вопрос. Она носит название теории раздувания, и была предложена в 1980 году сотрудникомМассачусетского технологического института Аланом Гутом. Основное отличие теории раздувания от традиционной теории Большого взрыва заключается в описании периода с 10(-35) до 10(-32) с.

По теории Гута примерно через 10(-35) с Вселенная переходит в состояние «псевдовакуума», при котором ее энергия исключительно велика. Из-за этого происходит чрезвычайно быстрое расширение, гораздо болеебыстрое, чем по теории Большого взрыва (оно называется раздуванием). Через 10(-35) с после образования Вселенная не содержала ничего кроме черных мини-дыр и «обрывков» пространства, поэтому при резком раздувании образовалась не одна вселенная, а множество, причем некоторые, возможно, были вложены друг в друга. Каждый из участков пены превратился в от-дельную вселенную, и мы живем в одной из них. От¬сюда следует, что может существовать много других вселенных, недоступныхдля нашего наблюдения. Хотя в этой теории удается обойти ряд трудностей традиционной теории Большого взрыва, она и сама не свободна от недостатков. Например, трудно объяснить, почему, начавшись, раздувание, в конце концов, прекращается. От этого недостатка удалось освободиться в новом варианте теории раздувания, появившемся в 1981 году, но в нем тоже есть свои трудности. Заключение В данной работе были рассмотрены теоретические доказательства и практические открытия астрономов, которые привели к формированию теории Большого Взрыва. Эта теория является самой распространенной в наши дни и предполагает, что Вселенная начала свое существование примерно 15-20 миллиардов лет назад. В то время Вселенная была малым, горячим и плотным объектом, затем произошел Большой Взрыв сопровождающийся огромным количеством энергии, и постепенно стали образовываться звезды,планеты и другие объекты. Сейчас Вселенная включает в себя 10 миллиардов галактик, объединенных в скопления и сверхскопления. Но так как в теории Большого Взрыва есть ряд спорных моментов, то это вызывает интерес к альтернативным теориям, а именно - к теории «стабильного состояния», согласно которой у Вселенной не было начала и не будет конца. Теория утверждает, что плотность ее остается неизменной благодаря постоянному созданию нового вещества. Значит, Вселенная будет расширяться бесконечно.

Но есть и другие теории:

1) Вселенная прекратит расширение и стабилизируется, когда достигнет определенных размеров;

2) Вселенная перестанет расширяться, а затем под воздействием сил гравитации начнет сжиматься в одну точку. По мнению многих исследователей, теория Большого Взрыва на сегодняшний день наиболее аргументирована и вызывает больше доверия. Но альтернативные теории показывают, что главная космологическая проблема еще не решена.

Хотя если рассмотреть теорию Большого взрыва академика Я.Б. Зельдовича, то он не сомневался в правильности данной теории, и в ее пользу говорит целый ряд научных фактов, расчетов и гипотез, некоторые ученые скептически относятся к данной теории. Но 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? Откуда они берутся?

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 гипотезао 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.

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. Мы снова приходим к выводу, что в целом знаний имеющихся в распоряжении человечества недостаточно для окончательного рассмотрения эволюции

Вселенной, данный вопрос требует дальнейших серьезных исследований и научных открытий.

Заключение

Некоторые противники теории Большого взрыва считают, что Вселенная стационарна, то есть не эволюционирует, и не имеет ни начала, ни конца во времени. Сторонники такой точки зрения отвергают расширение Вселенной, а красное смещение объясняют гипотезой о «старении» света. Однако, как выяснилось, эта гипотеза противоречит наблюдениям, например, наблюдаемой зависимости продолжительности вспышек сверхновых от расстояния до них.

Существует также точка зрения о том, что законы Большого Взрыва действуют лишь в наблюдаемой нами части Вселенной (Метагалактике).