Представления происхождения Вселенной (теория Большого взрыва)

Тема  реферата: "Представления  происхождения Вселенной (теория Большого взрыва)"

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение……………………………………………………………….3
2. Основная часть……………………………………………………….5

1. Начало Вселенной………………………………………..…………5

2. Был ли Большой взрыв……………………………………………5
3. Сценарий Большого взрыва………………………………………7
4. Современные теории о дальнейшей эволюции вселенной......11
5. Проблемы теории Большого взрыва……………........……...…14

3. Заключение…………………………………………..………………18
4. Список используемой литературы………………………….........20

ВВЕДЕНИЕ

     Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь звеном в эволюции Вселенной. И всё же исследования проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес,  закрывающий от нас далекое прошлое.

     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.

     Проблемы  зарождения и существования Вселенной занимали самого древнего человека. Небо, которое было доступно его обозрению, было для него очень интересно. Недаром астрономия считается одной из самых древних наук о природе. 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 года) 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 части Вселенной.

     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.

ОСНОВНАЯ  ЧАСТЬ

1) Начало Вселенной

     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, что плотность излучения превышала плотность вещества. 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.

2) Был ли Большой  взрыв?

      Академик  Я.Б. Зельдович писал по этому  поводу в 1983 г.: «Теория «Большого  взрыва» в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. На чем основана уверенность академика Я.Б. Зельдовича в справедливости теории «горячей Вселенной»? 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 возрасте Метагалактики.

      Второе  подтверждение состоит в том, что данные радиоастрономии свидетельствуют, что в прошлом далекие внегалактические источники радиоизлучения излучали интенсивней, чем сегодня, следовательно, эти источники эволюционируют. Когда сегодня мы наблюдаем, мощный источник радиоизлучения, необходимо помнить о том, что перед нами его далекое прошлое, ведь сегодня радиотелескопы принимают волны, которые были излучены миллиарды лет назад. 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 распространенность химических 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.

      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. Теоретические оценки температуры реликтового излучения были даны в 40-50 г.г. в работах Г.А. Гамова, а затем его учеников Р. Альфреда и Р. Германа. В 1964 г. советские астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич впервые выполнили конкретные расчеты интенсивности излучения различных объектов: звезд, межзвездной пыли, галактики и т.д.

      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, что будущие лауреаты Нобелевской  премии 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 положениях антенны регистрировали космическое излучение, природа которого первоначально была им не ясна. Этим излучением и оказалось реликтовое излучение.

3) Сценарий Большого взрыва

      Нас интересуют события, которые произошли, по разным оценкам, 13 – 20 млрд. лет назад (13 млрд. лет в соответствии с теорией  «закрытого мира», а 20 млрд. лет по теории «Открытого мира»). Все это время  наша Вселенная, согласно теории Большого взрыва, постоянно расширялась. В пролом же плотность вещества должна было быть огромной. Согласно теории А. Фридмана следует, что плотность могла быть бесконечно  большой, хотя некоторые ученые называют некий возможный предел значения плотности вещества.

      Другим  важным параметром является температура. Вопрос о том, "холодной" или "горячей" была материя в ту эпоху, долгое время  оставался спорным. Решающие доказательства, что Вселенная была горячей, удалось  получить в середине 60-х годов. В  настоящее время большинство космологов считает, что материя в начале расширения Вселенной была не только сверхплотной, но и очень горячей, а теория, рассматривающая физические процессы в начале расширения Вселенной получила название «теории горячей Вселенной».

      Согласно этой теории, ранняя Вселенная представляла собой гигантский ускоритель «элементарных» частиц. Началом работы Вселенского ускорителя был Большой взрыв. Этот термин часто применяют современные космологи. Наблюдаемый разлет галактик и их скоплений – следствие Большого взрыва. Академик Я.Б. Зельдович назвал этот взрыв астрономическим, тем самым, подчеркнув его отличие от химического взрыва.

      У обоих взрывов есть общие черты, например, в обоих случаях вещество после взрыва охлаждается при  расширении, падает и его плотность. Но есть и существенный отличия. Главное состоит в том, что химический взрыв обусловлен разностью давлений во взрывающемся веществе и давлением в окружающей среде (воздухе). Эта разность давлений создает силу, сообщающую скорость частицам заряда взрывчатого вещества. В астрономическом взрыве подобной разности давлений нет.

     Астрономический взрыв не начался из какого-то определенного  центра, распространяясь на все большие  области, а произошел сразу во всем существовавшем тогда пространстве. Представить себе это очень трудно, тем более что «все пространство» в начале взрыва могло быть как конечным (теория замкнутого мира), так и бесконечным (теория открытого мира).

      В теории космологии приято эволюцию вселенной  разделять на 4 эры:

а) адронная эра (начальная фаза, характеризующаяся высокой температурой и плотностью вещества, состоящего из элементарных частиц – «адронов»);

б) лептонная  эра (следующая фаза, характеризующаяся  снижением энергии частиц и температуры  вещества, состоящего из элементарных частиц «лептонов». Адроны распадаются в мюоны и мюонное нейтрино – образуется «нейтринное море»;

в) фотонная эра или эра излучения 

г) звездная эра (продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц, продолжается со времени завершения Большого взрыва (примерно 300 000 лет назад) до наших дней.

      В нулевой момент времени Вселенная  возникла из сингулярности, то есть из точки с нулевым объемом и  бесконечно высокими плотностью и температурой. Пытаясь объяснить происхождение  Вселенной, сторонники Большого взрыва сталкиваются с серьезной проблемой, поскольку исходное состояние Вселенной в разработанной ими модели не поддается математическому описанию. В их описаниях Вселенная в начале представляла собой точку пространства бесконечно малого объема, имевшую бесконечно большую плотность и температуру. Такое состояние вещества в принципе не может быть описано математически. На языке науки это явление получило название «сингулярности».

      Существует  два основных взгляда на процесс  формирования галактик. Первый состоит в том, что в любой момент времени в расширяющейся смеси вещества и излучения могли существовать случайно распределенные области с плотностью выше средней. В результате сил тяготения эти области сначала отделились в виде очень протяженных сгустков вещества. В этих сгустках начался процесс фрагментации, приведший к образованию облаков меньших размеров, которые позднее превратились в скопления и отдельные галактики, наблюдаемые сегодня. Далее в этих меньших (по галактическим размерам) сгустках под действием сил тяготения в случайных неоднородностях плотности началось формирование звезд.

     Другая  точка зрения дает другой сценарий: вначале из флуктуаций плотности  в расширяющемся первичном шаре сформировались многочисленные (малые) галактики, которые с течением времени объединились в скопления, в сверхскопления и, возможно, в более крупные иерархические структуры.

      Главным в споре этих двух взглядов является ответ на вопрос, имел ли процесс  Большого взрыва вихревой (турбулентный) характер или протекал более гладко. Признаков турбулентности в крупномасштабной структуре сегодняшней Вселенной не наблюдается. Вселенная выглядит удивительно сглаженной в крупных масштабах, несмотря на некоторые отклонения, в целом далекие галактики и их скопления галактики распределены по всему небу равномерно, а степень изотропности фонового излучения также довольно высока. Все это заставляет признать, что Большой взрыв был безвихревым, упорядоченным процессом расширения.