Современные представления происхождения Вселенной. Теория Большого взрыва

РОССИЙСКАЯ  ФЕДЕРАЦИЯ

РЕФЕРАТ

ПО  КУРСУ «Концепция современного естествознания»

 
 
 

Тема: «Современные представления  происхождения Вселенной.

(Теория  Большого взрыва)» 
 
 
 
 
 
 

                                                                                    ВЫПОЛНИЛА:

                                                                                     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

САМАРА 2006

 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
 

ВВЕДЕНИЕ                       3 

1. Был ли Большой  взрыв.                                                          3

2. Стандартный сценарий  Большого взрыва.                  4

3.Современные  теории о дальнейшей  эволюции Вселенной                                       6

4. Проблема теории  Большого взрыва                                                                            8

ЗАКЛЮЧЕНИЕ          10 

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ                                                                                                10 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

      На  протяжении тысячелетий человечество задается вопросом не только о границах и облике этого мира, но и о происхождении Вселенной

      Долгое  время единственной версией происхождения  Вселенной было развиваемое различными религиями учение о сотворении мироздания демиургом – могущественным существом нематериальной природы, божеством.

      Разные  религии предлагают самые разнообразные  способы сотворения Вселенной, но при  этом неизменно сходятся в одном: Земля и люди на ней возникли как  следствие божественного замысла.

      Философия на раннем этапе своего развития выдвинула несколько иную версию событий, что перво - стихией, породившей все прочее в этом мире, служит вода. Из нее в осадок выпала земля и испарился воздух, который от разогрева сделался огнем. Вода, воздух, огонь и земля смешивались в определенных соотношениях и сложили этот мир – создали естественным путем планеты. Их упорядочное движение преобразило первичное хаотическое состояние в упорядочное. Хаос сменился порядком, по-гречески космосом.

      Такая трактовка событий близка к действительности. Наука и, сотрудничающая с ней философия, проводит идею неуничтожимости материи и естественного происхождения бытия в результате т.н. «Большого взрыва». 

      Был ли Большой взрыв? 

      Академик  Зельдович Я.Б. писал по этому  поводу в 1983г.: «Теория «Большого  взрыва» в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Я бы даже сказал, 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  Зельдовича Я.Б. 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 старых звезд, скорее всего он близок к возрасту нашей и других галактик. 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 ¾ соответственно), которое возникло во время первичного термоядерного синтеза.

      Главным подтверждением теории Большого взрыва («горячей Вселенной») считается открытие реликтового излучения. Для космологии это явление имеет фундаментальное значение, сравниваемое 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 3000-4000К. В ходе последующего расширения Вселенной температура снижалась, но характер излучения (его спектр) сохранился до наших дней, напоминая о далекой «молодости» Метагалактики.

      Советский астрофизик Шкловский И.С. предложил  называть это излучение реликтовым. Теория предсказала существование  реликтового излучения. Теоретические  оценки температуры реликтового  излучения были даны в 40-50гг. в работах  Гамова Г.А., а затем его учеников Альфреда Р. И Германа Р.. В 1964г. Советские астрофизики Новиков И.Д. и Дорошкевич А.Г. 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 Дикке Р. приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение. Но их опередили Пензиас А. и Вильсон Р., получившие в 1978г. Нобелевскую премию за открытие микроволнового фона (это официальное название реликтового излучения) на волне 7,35см.

      Примечательно, что будущие лауреаты Нобелевской  премии не искали реликтовое излучение, а в основном занимались отладкой радиоантенны для работы по программе  спутниковой связи. С июля 1964г. По апрель 1965г. Они при различных  положениях антенны регистрировали космическое излучение, природа которого первоначально была не ясна. Этим излучением и оказалось реликтовое излучение. 

      Стандартный сценарий Большого взрыва. 

      Чтобы вернуться к самому началу, нужно  знать возраст Вселенной. К сожалению, пока он точно не известен, поэтому возьмем общепризнанный – 18 миллиардов лет. Это означает, что 18 миллиардов лет назад произошел колоссальный взрыв, в результате которого родилась наша Вселенная.

      В теории космологии принято эволюцию вселенной разделять на 4 эры: адронная эра, лептонная эра, эра излучения, звездная эра.

      В нулевой момент времени Вселенная  возникла из сингулярности, то есть из точки с нулевым объемом и  бесконечно высокой плотностью и  температурой. 

      Через 10 (-23) с Вселенная вступила в эпоху  адронов, или тяжелых частиц. Температура была достаточно высока для того, чтобы образовывались пары адронов: мезоны, протоны, нейтроны и т.п., а также их античастицы. Однако на заре этой эпохи температура была слишком высока, и тяжелые частицы не могли существовать в обычном виде; они присутствовали в виде своих составляющих – кварков. На данном этапе Вселенная почти полностью состояла из кварков и антикварков. Сейчас свободные кварки не наблюдаются. Из современной теории следует, что они попали в «мешки» и не могут их покинуть. Однако, некоторые ученые считают, что где-то еще должны остаться кварки, дошедшие до нас из тех далеких времен. Возможно, они столь же многочисленны, как атомы золота, но пока обнаружить их не удалось.

      В соответствии с этой теорией, после  того как температура достаточно упала (примерно через 10 (-6) с), кварки быстро собрались в «мешки». Такой процесс носит название кварк-адронного перехода. В то время Вселенная состояла в основном из мезонов, нейтронов, протонов, их античастиц и фотонов; кроме того, могли присутствовать более тяжелые частицы и немного черных дыр. При этом на каждую частицу приходилась античастица, они при соударении аннигилировали, превращаясь в один или несколько фотонов.

      Примерно  через сотую долю секунды после  Большого взрыва, когда температура упала до 100 миллионов градусов, Вселенная вступила в эпоху лептонов. Тогда также наблюдалось тепловое равновесие, при котором электрон-позитронные пары рождались и аннигилировали примерно с одинаковой скоростью. Но, кроме того, во Вселенной находились оставшиеся от эпохи адронов в небольших количествах протоны и нейтроны – примерно по одному на миллиард фотонов.

      Еще одно важное событие эпохи лептонов – разделение и освобождение нейтрино. Нейтрино и антинейтрино образуются в реакциях с участием протонов и нейтронов. Когда температура была достаточно высока, все эти частицы были связаны между собой, а при понижении температуры ниже определенного критического значения произошло их разделение, и все частицы свободно разлетелись в пространство.

      Через несколько секунд после Большого взрыва, когда температура составляла около 10 миллиардов градусов, Вселенная  вступила в эпоху излучения. В  то время Вселенная состояла почти  полностью из фотонов.

      В эпоху излучения произошло событие  исключительной важности – в результате синтеза образовалось первое ядро. Это как раз то самое событие, которое пытался объяснить Гамов. Примерно через три минуты после начала отсчета времени, при температуре около миллиарда градусов, Вселенная уже достаточно остыла для того, чтобы столкнувшийся протон и нейтрон соединились, образовав ядро действия (более тяжелой разновидности водорода). При соударении двух ядер действия образовывались ядра гелия. Так за очень короткое время, примерно за 200 минут, около 25% вещества Вселенной превратилось в гелий. Помимо того, превращение водорода в гелий происходит в недрах звезд, но там образуется лишь около 1% всей массы гелия. В эту эпоху возникли также другие элементы: немного трития и лития, но более тяжелые ядра образоваться не могли.

      Вселенная продолжала расширяться  и охлаждаться  в течение нескольких тысяч лет. Тогда она состояла в основном из излучения с примесью некоторых  частиц (нейтронов, электронов, нейтрино и ядер простых атомов). Это была довольно тоскливая Вселенная, непрозрачная из-за густого светящегося тумана, и в ней почти ничего не происходило. Непрозрачность вызывалась равновесием между фотонами и веществом; при этом фотоны были, как бы привязаны к веществу. Наконец, при температуре 3000 К в результате объединения электронов и протонов образовались атомы водорода, так что фотоны смогли оторваться от вещества. Как раньше нейтрино, так теперь фотоны отделились и унеслись в пространство.

      После отрыва излучения от вещества Вселенная  по-прежнему состояла из довольно однородной смеси частиц и излучения. В ней уже содержалось вещество, из которого впоследствии образовались галактики, но пока его распределение оставалось в основном равномерным. Известно, однако, что позже наступил этап неоднородности, иначе сейчас не было бы галактик. Но откуда же взялись флуктуации, приведшие к появлению галактик?

      Астрономы полагают, что они проявились очень  рано, практически сразу же после  Большого взрыва. Что их вызвало? Точно  не известно и, может быть, никогда  не будет известно наверняка, но они каким-то образом появились практически в самый первый момент. Возможно, поначалу они были довольно велики, а затем сгладились, а может быть, наоборот, увеличивались с течением времени. Известно, однако, что по окончании эпохи излучения эти флуктуации стали расти. С течением времени они разорвали облака частиц на отдельные части. Эти гигантские клубы вещества расширялись вместе с Вселенной, но постепенно стали отставать. Затем под действием взаимного притяжения частиц начало происходить их уплотнение. Большинство этих образований поначалу медленно вращалось, и по мере уплотнения скорость их вращения возрастала.