Эволюция Вселенной

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

ТЮМЕНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Выполнила: Отраднова О.Ю.

Группа  УП10-2

Проверила: Марьинских С.Г.

Тюмень, 2011 

Оглавление

1. Теории происхождения Вселенной 3

1.1. Вселенная А. Фридмана 3

1.2. Большой взрыв горячей Вселенной Гамова 5

2. Эволюция Вселенной 13

2.1. Большой взрыв: инфляционная модель 13

2.2. Первые секунды Вселенной 14

2.3. От первых минут Вселенной до образования звезд и галактик 15

2.4. Образование тяжелых химических элементов 16

3. Модели будущего Вселенной 17

3.1. Теория Большого разрыва 19

Список использованной литературы 22

1. Теории  происхождения Вселенной

1. Вселенная А. Фридмана

Проблема  рождения Вселенной — извечная философская  проблема, которая уже несколько  веков стала научной, физико-математической проблемой. Рождение Вселенной —  это не только философская и научная  физико-космологическая проблема: рождение Вселенной — проблема уникального  человеческого мышления и бытия. Поэтому она и была фундаментальным  объектом пристального внимания мифологии  и религии. Вселенная, ее рождение и  становление были всегда в центре внимания как архаичных людей, так  и людей Древнего Востока (Индия  и Китай), а также греков в античном мире. Можно просто здесь констатировать тот факт, что в мифах и в  религиозных учениях народов  Древнего мира Востока и Запада всегда в центре интуиции и размышления  стоял вопрос о рождении (или творении) Вселенной (Космоса — неба и Земли).

Не  входя здесь в длительное рассмотрение мифологических представлений о  рождении Вселенной, можно подчеркнуть  следующее: во всех мифах народов  мира всех континентов (Азия, Африка, Америка, Австралия, Европа, Средиземноморье  и т. д.) наблюдается удивительная повторяемость при всех специфических формах проявления духовного начала как мифологического прозрения о рождении (или творении) Вселенной. Как отмечает Мирча Элиаде в своих многочисленных трудах по мифологии и истории религий всех народов мира, в мифах и религиозных воззрениях всех народов всех континентов центральным объектом их интуитивного и мистического прозрения и откровения был вопрос о рождении (или творении) Вселенной: рождение (или творение) Вселенной было ключевым вопросом мифологии и религии. Почему вопрос о Вселенной был для них ключевым? Потому что вопрос о рождении Вселенной для архаичных людей как носителей мифа не был прежде всего космологическим, а антропологическим: он был антропологическим, т. е. смыслообразующим человеческое бытие вопросом. Космос для них был объектом самопознания, самоопределения и самоутверждения в мире хаоса и неопределенности. Так, Мирча Элиаде в своих трудах показывает на основе исследования колоссального множества свидетельств, источников, символов, ритуалов, инициации, посвящения и т. д., что вопрос о рождении (или творении) Вселенной у всех народов традиционной культуры был вопросом смыслообразующим, т. е. он имел для них прежде всего не познавательно-истинный смысл, а познавательно-ценностный характер. Именно поэтому мы считаем за Мирчей Элиаде, что вопрос о рождении Вселенной для мифологически мыслящих архаичных людей был вопросом прежде всего не космологическим, а антропологическим. Архаичные люди в Космосе искали опору для самоопределения и самоутверждения в этом мире хаоса и неопределенности. Современная постановка вопроса о рождении Вселенной принципиально отличается от его мифологической постановки: современная постановка вопроса о рождении Вселенной есть научно-космологическая и физическая проблема поиска не ценностного смысла, а истинно-познавательного знания о рождении Вселенной. Однако это ни в какой мере не означает и не может означать, что современных ученых (физики-астрономы и космологи-физики) не интересует проблема ценностного смысла в познании мироустройства: современная астрофизика и космология элементарных частиц своей направленностью нацелены, прежде всего, на решение чисто научно-исследовательских задач и проблем в поисках истинного знания исследуемых вещей во Вселенной.

А в чем смысл и задача философии? Смысл и задача философского рассмотрения состоят в том, чтобы на основе философского осмысления научной истины рождения Вселенной понять ценностный смысл человеческого бытия в  этом мироустройстве космоса и социума: философское значение проблемы рождения Вселенной заключается в интерпретации  истинного научного знания о рождении Вселенной и в поисках ценностного смыслообразующего человеческое бытие феномена: философия есть интерпретация значимости и понимания ценности и смысла научной истины. Современная философия не должна претендовать на единоличное добывание научной истины: ее задача не в получении ее, а в строгом истолковании (т. е. интерпретации) ее, в раскрытии и установлении общего философского смысла истинного научного знания: современная философия не должна претендовать на роль научного мышления и познания научной истины. У нее свой собственный ракурс в познании ее: он заключается в установлении и раскрытии значения (философского), понимании смысла и ценности научных истин для человеческого бытия в этом мироустройстве космоса, биосферы и ноосферы. Мне представляется, такая роль современной философии нисколько не должна умалять все величие философии как миропонимания, мышления и познания: смысл человеческого бытия заключается в понимании истины и ценности в их взаимодополнительности и единстве. Безусловно, под ценностью мы понимаем самые различные формы ценности — морально-нравственные, экзистенциальные (честь, свобода, совесть, достоинство, любовь и т. д.), религиозные, эстетические, художественные, а также социальные, политические, экономические и т. д. Одним словом, под ценностью мы понимаем самый широкий спектр духовных и материальных ценностей, созданных человеческим духом, энергией и силой и создаваемых людьми своим трудом, разумом и волей. А разве истина науки сама по себе не ценна? Истина науки также ценна: она имеет в конечном счете ценностный смысл. Поэтому все, что мы рассматриваем в нашей работе — научная истина, и потому оно является и предметом и философского размышления, и разума.

После окончательного формулирования общей  теории относительности (1915) А. Эйнштейн построил на основе ОТО космологическую  модель Вселенной (1917): Вселенная Эйнштейна  была стационарной. В целом Вселенная  Эйнштейна находилась в статическом, неподвижном состоянии: она не расширялась  и не эволюционировала в целом, хотя внутри нее происходят и могут  происходить какие-то движения и  изменения. Таковым было реальное положение  в космологии до начала двадцатых  годов ХХ в., эта космологическая  стационарность эйнштейновской Вселенной  была подвергнута молодым ленинградским  физиком-математиком А. А. Фридманом  революционному пересмотру: в своих  статьях в 1922-1924 гг. А. Фридман обосновал  свое учение о расширении и эволюции Вселенной. Стационарность означает отсутствие систематических движений крупномасштабных и крупнозернистых структурных  образований Вселенной, т. е. систематических  движений галактик. Второе обстоятельство, на что мы обратим внимание, —  Вселенная де Ситтера: Вселенная  де Ситтера есть пустое пространство Вселенной. Отличие фридмановской  Вселенной от Вселенной де Ситтера  заключается в том, что она  наполнена веществом. Итак, Вселенная  Фридмана есть Вселенная, заполненная  материей и расширяющаяся. Поэтому  судьба фридмановской Вселенной  находится в зависимости от плотности  вещества во Вселенной и скорости ее расширения. Возможны здесь три  сценария эволюции фридмановской Вселенной:

1. К = 0, т. е. кривизна пространства  Вселенной равна нулю, тогда эволюция  ее в дальнейшем бесконечна: пространство, кривизна которого равна нулю, есть евклидовское пространство, т. е. плоское. 

2. Когда К < 0, т. е. кривизна  пространства меньше нуля, т. е.  отрицательная кривизна пространства  Вселенной: тогда бесконечно будет  продолжаться расширение Вселенной.  Отрицательная кривизна пространства  есть пространство седлообразное. 

Таким образом, при кривизне пространства, равной нулю, и при отрицательной  кривизне эволюция Вселенной будет  продолжаться бесконечно.

Когда К> 0, т. е. положительная  кривизна пространства Вселенной. Суть положительной кривизны пространства заключается в том, что при  положительной кривизне, т. е. при  плотности вещества во Вселенной, превосходящей  критическое значение средней плотности материи во Вселенной, расширение Вселенной может замедлиться и в конце концов остановиться, а затем может начаться сжатие (т. е. коллапс) Вселенной. Следовательно, по третьему сценарию модели фридмановской Вселенной расширение Вселенной может смениться сжатием, т. е. гравитационным коллапсом. Поэтому Вселенная возвратится к своему исходному началу Большого взрыва, т. е. сингулярной точке бесконечной плотности вещества Вселенной и искривления пространства-времени.

2. Большой взрыв  горячей Вселенной Гамова

Жизнь — феномен космологический. Под  космологическим феноменом жизни  мы понимаем те космологические предпосылки, которые так или иначе явились  фундаментальным условием возможности  возникновения и существования  жизни на нашей планете Земля. При этом мы не принимаем «антропный принцип» как «человеческий принцип», для которого существует Вселенная  таковая, какая она есть. Во-первых, настоящий возраст Вселенной  — между 15 и 20 миллиардами лет, а  наша Солнечная система вместе с  Солнцем существует 10 миллиардов лет. Значит, возраст нашей Солнечной  системы на 5 или 10 миллиардов лет  моложе, чем настоящий, реальный возраст  Вселенной. Это означает, что если мы верим в принцип причинности  как фундаментальный и незыблемый принцип природы, то совершенно очевидно, что Солнечная система наша, возникшая  на 5 или 10 миллиардов лет позже, чем  Вселенная, не могла быть причиной, оказавшей свое влияние на формирование строения и структуры Вселенной  и ее расширения: позже во времени  возникший феномен не может быть причиной ранее во времени возникшего феномена. Во-вторых, пока мы знаем, что  единственной и уникальной планетой во всей Солнечной системе, на которой  имеется биосфера как единство живого и косного вещества, является наша Земля, возраст которой — 5 миллиардов лет, из которых возникновение жизни  — 4 миллиарда лет тому назад. Следовательно, жизнь возникла на 6 миллиардов лет  позже возникновения Солнечной  системы и на 10 или 15 миллиардов лет  позже возникновения Вселенной: возникновение жизни на одной  из планет Солнечной системы никак  не могло оказать свое влияние  на рождение и расширение Вселенной. В-третьих, материальным носителем  жизни являются специфические структуры  молекул: ни элементарные частицы, ни атомы  не могут и не являются материальными  носителями жизни, хотя без них молекулы не могут существовать.

Значит, жизнь как таковая связана  непосредственно со специфическим  строением и структурной организацией молекул, а не атомов или элементарных частиц, лежащих в основе молекул. Именно поэтому требуется необходимость  рассмотрения становления Вселенной  как рождения частиц, ядер, атомов, молекул  и т. д. Мы уже отметили, что становление Вселенной после Большого взрыва есть ее расширение, состоящее из радиационно-доминантной, вещественно-доминантной и галактико-доминантной фаз: радиационно-доминантная фаза связана в основном с образованием элементарных частиц и легких ядер водорода и гелия как основных видов вещества во Вселенной: вещество во Вселенной состоит из 75 % водорода и 23 % гелия, а остальные 2 % — из тяжелых химических элементов. Вещественно-доминантная фаза особенно важна и существенна для биосферной теории В. И. Вернадского, ибо с ней связано образование атомов и молекул: настоящим и подлинным веществом как таковым являются именно атомы, из которых состоят молекулы как системы специфического строения и структурной организации атомов. Мы выделили галактико-доминантную фазу как самостоятельную и самодостаточную фазу самоорганизации материи во Вселенной по следующим соображениям: во-первых, галактика как система звезд и их скоплений — целостная и самодостаточная система: расширение Вселенной заключается во всеобщем разбегании галактик друг от друга; во-вторых, совокупности галактик образуют их скопления и сверхскопления, в которых формирующую роль играет не материя в барионной форме, а «темная материя» как скрытая, «невидимая» гравитация (гравитационная масса и энергия): галактико-доминантная фаза — фаза специфического доминирования «темной материи», отличной от барионной материи как вещества, состоящего из обычных, нам знакомых элементарных частиц, атомов, молекул и т. д. Частицами «темной материи» являются нам незнакомые предполагаемые монополи, аксионы, гравитино и другие суперсимметричные суперпартнеры обычным элементарным частицам. В-третьих, выделение нами галактико-доминантной фазы самоорганизации материи во Вселенной объясняется тем фактом, что во Вселенной «темная материя» составляет 80 %, а барионная — всего 20 %. Поэтому поиск «темной материи», выяснение ее природы и ее структурной организации составляет фундаментальную задачу эпистемологии астрофизики элементарных частиц и космологии. А теперь более подробно и последовательно рассмотрим реализацию горячей Вселенной в действительном становлении и расширении Вселенной. Схематически и условно реализацию горячей Вселенной делим на три стадии:

1) стадия горячей кухни; 

2) стадия теплой кухни; 

3) стадия холодной кухни. 

Горячая кухня — кухня, где изготовляются  самые изысканные блюда — фундаментальные  и элементарные частицы — кварки, лептоны и адроны. В первые миллиардные  доли секунды после Большого взрыва образуется во Вселенной термодинамическое  равновесие с температурой миллиардов градусов (1013К), в котором материя  находится в виртуально-плазменной смеси, где вещественность и излучение  представляли собой неразличимое единое целое. Затем по мере расширения Вселенной  и ее похолодания происходит отделение  вещества от излучения: происходит процесс  «вымерзания частиц», т. е. образования  частиц и античастиц — кварки и  лептоны и их античастицы.

Итак, в горячей кухне изготовляются  самые изысканные блюда — фундаментальные  частицы — кварки и лептоны  и соответственно силы, их связывающие, — сильные цветные взаимодействия между кварками посредством глюонов  и электро- магнитные взаимодействия между электронами с помощью  фотонов. Как подчеркивают ученые специалисты-элементарщики, возможно, в самую раннюю эру Большого взрыва могли появиться массивные  промежуточные векторные частицы  — бозоны — W± и Z0, являющиеся переносчиками  слабых взаимодействий в электрослабых  взаимодействиях. Следовательно, образование  типов взаимодействий происходило  или могло происходить следующим  образом: во-первых, образование фундаментальных  частиц — кварков и лептонов —  единовременно связано с образованием типов их взаимодействий — цветных  взаимодействий и электрослабых  взаимодействий: сначала эти взаимодействия представляли собой единую одну какую-то суперсилу с одной константой связи. В этой единой суперсиле сильные  цветные и электрослабые взаимодействия были равны по константе связи, т. е. они были симметричными, а затем  эта симметрия как тождество  сил сильных цветных и электрослабых  взаимодействий спонтанно нарушается и в результате спонтанного нарушения  симметрии суперсилы происходит расщепление этой суперсилы на два  типа взаимодействий — сильных цветных  и электрослабых взаимодействий. А уже после этого происходит спонтанное нарушение симметрии  электрослабых взаимодействий и  в результате этого нарушения  происходит расщепление электрослабой  силы как единой симметрии на два  самостоятельных типа взаимодействий — электромагнитные и слабые взаимодействия. Значит, в состоянии термодинамического равновесия с миллиардами миллиардов градусов температуры (1013К), когда материя  находилась в виртуально-плазменном состоянии равенства вещества и  излучения и когда не существовали готовые реальные физические частицы, существовала одна какая-то единая суперсила, которая, по мере похолодания Вселенной и «вымерзания» частиц, расщепляется на два типа фундаментальных взаимодействий — сильные цветные между кварками посредством глюонов и электрослабые между электронами и нейтринами с помощью фотонов и массивных векторных частиц — W± и Z0. А уже позже происходит спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий, в результате чего происходит расщепление электрослабых сил на электромагнитные и слабые. Итак, расширение Вселенной как самоорганизация материи есть единовременный процесс формирования фундаментальных частиц — кварков, лептонов, нейтрино, фотонов и промежуточных векторных частиц — бозонов W± и Z0 (а может быть, и Хигтсовых частиц и сил, их связывающих, — сильных цветных, слабых и электромагнитных, которые являются силами, организующими эти фундаментальные и элементарные частицы в микроструктуры, мелкоструктуры (атомы, молекулы и т. д.) и крупномасштабные структуры посредством силы гравитационных взаимодействий: расширяющаяся Вселенная, построенная из частиц барионной и «темной материи», постоянно конструируется и упорядочивается с помощью сил фундаментальных взаимодействий — цветных, электромагнитных, слабых и прежде всего гравитационных, сила которых в области частиц пренебрежимо мала, но огромна в крупномасштабных структурах и их взаимодействиях.