Эволюция Вселенной. Теория Большого взрыва

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

Глазовский  инженерно-экономический институт (филиал)

государственного  образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

РЕФЕРАТ 

по  учебной дисциплине «Концепции современного естествознания»

на  тему « Эволюция Вселенной. Теория Большого взрыва» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила студентка

1 курса, гр. 1231у                                                                                    М.А.Веретенникова

(подпись) 

Проверил                                                                                                 А.Б. Федоров

(оценка, подпись) 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глазов 2009 

Содержание

    Введение…………………………………………………………………………………3

    Эволюция  Вселенной………………………………………………………………...…5

    Теория  Большого взрыва……………………………………………………………….7

        История Вселенной согласно стандартной  модели Большого взрыва………………8

        Реликтовое излучение………………………………………………………………….13

Какая судьба ожидает вечно расширяющуюся  Вселенную?.......................................17

        Заключение……………………………………………………………………………...19

    Список  используемой литературы …………………………………………………....21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

      Область астрономии, которая изучает и  моделирует Вселенную как целое, называется космологией. Именно космологи определяют и объясняют, что представляет собой Вселенная, изменяется ли она со временем и если да, то каковы были ее свойства в прошлом.

     Картина ночного неба представляется наблюдателю  некоторым эталоном стабильности по сравнению с окружающими его процессами на Земле и в обществе: на протяжении всей жизни человека видимые звезды сохраняют неизменными свои положения и яркости, сохраняется привычный рисунок созвездий, и это единообразие нарушается лишь заметным движением небольшого числа объектов типа планет или комет, относящихся к нашей Солнечной системе.

     Но  это первое впечатление неизменности окружающей нас Вселенной в действительности обманчиво: она эволюционирует, и  эта эволюция, сравнительно медленная  сейчас, на ранних этапах была невообразимо быстрой, так что серьезные качественные изменения состояния Вселенной происходили за доли секунды. По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла около 15 миллиардов лет назад из некоторого начального "сингулярного" состояния с бесконечно большими температурой и плотностью и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно этой теории Большого Взрыва, дальнейшая эволюция зависит от измеримого экспериментального параметра р – средней плотности вещества в современной Вселенной. Если  р меньше некоторого (известного из теории) критического значения  р_с , Вселенная будет расширяться вечно; если же  р больше  р_с , то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнется обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины  р еще недостаточно надежны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.

     Есть  ряд вопросов, на которые теория Большого Взрыва ответить пока не может, однако основные ее положения обоснованы надежными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической 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 неопределенность на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.

     Закончив  на этом общее введение, переходим  к более подробному изложению  теории Большого Взрыва и порождаемых  ею проблем.

     Основными экспериментальными основаниями данной теории являются следующие три:

• Наблюдаемое "разбегание" далеких галактик, подчиняющее закону Хаббла υ=RH.
• Открытие в 1964 году Р.Пензиасом и А.Вильсоном космического фона "реликтового излучения", по интенсивности и спектральному составу эквивалентного излучению черного тела с температурой около 3К.
• Наблюдаемый химический состав Вселенной, состоящей приблизительно из 3/4 (по массе) водорода и 1/4 гелия с небольшой (порядка одного процента) примесью прочих элементов.

     Прежде  всего поясним подробнее перечисленные  выше основные экспериментальные свидетельства в пользу теории Большого Взрыва. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Эволюция  Вселенной

      Изменяется  ли наш мир? В 1916 году немецкий ученый Альберт Эйнштейн (1879-1955) разработал теорию относительности, которую сразу  же начал применять для создания космологической модели Вселенной. Со временем Аристотеля считалось, что наша Вселенная стационарна, т.е. с течением времени она не только не меняется в общих чертах, но в ней не происходит каких-либо крупномасштабных движений. Вселенная - согласно теории относительности – отнюдь не стационарна. Она либо расширяется, либо сжимается! Эйнштейн, однако, не решился опровергнуть устоявшееся мнение, поскольку не был до конца уверен в безошибочности своих выводов.

    В варианте Эйнштейна Вселенная получилась конечной и замкнутой – нечто аналогичное поверхности шара. Ее пространство искривлено, и луч света, идущий в одном направлении, через определенный промежуток времени должен вернуться в исходную точку, но с противоположной стороны. Одним из тех, кто иначе взглянул на подобную неизменную модель Мироздания, стал российский метеоролог, математик по образованию, Александр Фридман (1888-1925). Он доказал, что первоначальное решение Эйнштейна не было ошибочным: действительно, Вселенная должна изменяться.

    Впрочем, все эти рассуждения о якобы расширяющейся Вселенной воспринимались поначалу скептически. Астрономы не соглашались считать подобные теории описанием реального мира до тех пор, пока они не будут подтверждены наблюдениями.

    Честь стать первооткрывателем в этой области принадлежит американскому астроному Эдвину Хабблу (1889-1953). На основе многочисленных наблюдений он в 1929 г. установил, что вселенная в целом расширяется – галактики и их скопления удаляются друг от друга и от нашей Галактики с огромной скоростью. Причем «разбегание» становится тем быстрее, чем больше оказывается расстояние между звездными «материками». С течением времени размеры Вселенной непрерывно возрастают. Ученые произвели необходимые расчеты и определили, что возраст Вселенной приблизительно равен 15 млрд. лет.

    Открытие  Хаббли положило начало новым представлениям о Вселенной – ее глобальная эволюция была доказана теоретически и практически. 

    

Так можно проиллюстрировать расширение Вселенной. Галактики удаляются  друг от друга в космическом пространстве аналогично меткам на надувном шарике. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Теория  Большого взрыва

    Величайшим  достижением современной космологии стала модель расширяющейся Вселенной, названная теорией Большого взрыва.

    Все вещество в Космосе в какой-то начальный момент было сдавлено буквально ни в что – спрессовано в одну-единственную точку. Оно имело фантастически огромную плотность – ее практически невозможно себе представить, она выражается числом, в котором после единицы стоят 96 нулей, - и столь же невообразимо высокую температуру. Астрономы назвали такое состояние сингулярностью.

    В силу каких-то причин это удивительное равновесие было внезапно разрушено  действием гравитационных сил –  трудно даже вообразить, какими они  должны были быть при бесконечно огромной плотности «первовещество»! Этому моменту ученые дали название «Большой взрыв». Вселенная начала расширяться и остывать.

    Следует отметить, что вопрос о том, каким  же было рождение Вселенной – «горячим»  или «холодным», - не сразу был  решен однозначно и занимал умы астрономов долгое время. Интерес к проблеме был далеко не праздным – ведь от физического состояния вещества в начальный момент зависит, например, возраст Вселенной.

    Кроме того, при высоких температурах могут  протекать термоядерные реакции. Следовательно, химический состав «горячей» Вселенной должен отличаться от состава «холодной». А от этого в свою очередь зависят размеры и темпы развития небесных тел. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

История Вселенной согласно стандартной  модели

Большого  взрыва

      В нулевой момент времени Вселенная возникла из сингулярности. В течение первой миллионной доли секунды, когда температура значительно превышала 10¹²К, а плотность была немыслимо велика, должны были неимоверно быстро сменять друг друга экзотические взаимодействия, недоступные пониманию в рамках современной физики. Мы можем лишь размышлять над тем, каковы были те первые мгновения; например, возможно, что четыре фундаментальные силы природы были вначале слиты воедино. Однако есть основания полагать, что к концу первой миллионной доли секунды уже существовал первичный «бульон» богатых энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества. Эта самовзаимодействующая масса находилась в состоянии так называемого теплового равновесия.

     В те первые мгновения все имевшиеся частицы должны были непрерывно возникать и аннигилировать. Любая материальная частица имеет некоторую массу, и поэтому для ее образования требуется наличие определенной «пороговой» энергии»; пока плотность энергии фотонов оставалась достав точно высокой, могли возникать любые частицы. Мы знаем также, что, когда частицы рождаются из гамма-излучения (фотонов высокой энергии), они рождаются парами, состоящими из частицы и античастицы, например электрона и позитрона. В условии сверхплотного состояния материи, характерного для раннего этапа жизни Вселенной, частицы и античастицы должны были тотчас же после своего рождения снова сталкиваться, превращаясь в гамма-излучение. Это взаимное превращение частиц в излучение и обратно продолжалось до тех пор, пока плотность энергии фотонов превышала значение пороговой энергии образования частиц.

     Когда возраст Вселенной достиг одной  сотой доли секунды, ее температура упала примерно до 10¹¹К, став ниже порогового значения, при котором могут рождаться протоны и нейтроны, но некоторые из этих частиц все-таки избежали взаимной аннигиляции со своими античастицами - иначе в современной нам Вселенной не было бы вещества! Через 1с после Большого взрыва температура понизилась примерно до 10¹⁰К, и нейтрино, по существу, перестали взаимодействовать с веществом: Вселенная стала практически прозрачной для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова, но примерно через 10с уровень плотности энергии излучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение в катастрофическом процессе взаимной аннигиляции, оставив после себя лишь незначительное количество электронов, достаточное, однако, для того, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.