Контрольная работа по "Концепции современного естествознания"

                                                    v=Hr,   

где Н- постоянная Хаббла.

   Из результатов наблюдения расширения Вселенной следует, что скорость разбегания галактик, по разным источникам, увеличивается на 50-100 км/с на каждый миллион парсек (1пк равен 3,26 светового года; световой год – это расстояние, проходимое светом в вакууме за один земной год). Тогда постоянная Хаббла должна иметь значения H=50:100 км/(с×Мпк)=(1,6:3,2)×10^-18с^-1. Величина, обратная постоянной Хаббла, t=1/Н называется космологическим временем, определяющим возраст Вселенной. Расчет t показывает, сто возраст Вселенной составляет приблизительно 10-20 млрд. лет. Согласно последним исследованиям, возраст Вселенной оценивается в 13,7 млрд. лет.

   В соответствии с моделью Фридмана, основанной на общей теории относительности, в момент Большого взрыва плотность вещества и кривизна пространства-времени должны быть бесконечными. Это означает, что Вселенная в это время представляет собой сингулярную (особую) точку. При таком условии общая теория относительности неприменима для описания поведения Вселенной. Следовательно, даже если бы перед Большим взрывом происходили какие-либо события, по ним нельзя было бы спрогнозировать будущее, так как в точке Большого взрыва возможности предсказания свелись бы к нулю. Точно так же, зная только то, что произошло после Большого взрыва, мы не сможем узнать, что происходило до него. Это дает основания считать началом отсчета времени момент Большого взрыва.

   Произведение скорости света  на время жизни Вселенной определяет  так называемый радиус космологического горизонта, расчет которого дает значение, равное приблизительно (1:2)×10²⁶ м, причем ежесекундно радиус космологического горизонта увеличивается на 3×10⁸ м. Однако эта величина ничтожно мала по сравнению с самим радиусом и должны пройти миллиарды лет, чтобы расширение космологического горизонта стало заметным. Информация о космических объектах, находящихся за космологическим горизонтом, но даже еще не дошла, поскольку она не может распространяться со скоростью, большей скорости света, а это означает, что мы в принципе не можем заглянуть за пределы космологического горизонта.

   Очередной важный шаг в понимании  эволюции Вселенной был сделан в 1948 году российским ученым Г.А. Гамовым (1904-1968), эмигрировавшим в 1933 г. во Францию, а позже – в США. Он предложил модель «горячей Вселенной», назвав ее «космологией Большого взрыва». В соответствии с современными представлениями считается, что модель «горячей Вселенной» начинает работать с момента времени ~10^-36 -10^-35 с от начала Большого взрыва, когда температура Вселенной составляла ~10²⁹ К. Вещество Вселенной представляло собой горячую плазму, состоящую из элементарных частиц. Природа взаимодействий в области температур 10²⁹ К до сих пор далека от понимания. Среди существующих моделей взаимодействий есть какие, которые предсказывают появление лептокварков – частиц, обладающих признаками лептонов и кварков. Считается, что эти частицы могут взаимодействовать между собой таким образом, что появляется избыток вещества над антивеществом.

   По мере расширения Вселенной  понижалась ее температура и  изменялись физические характеристики. В момент времени ~10^-35 с температура изменилась от ~10²⁹ до ~10²⁸ К. В этот период имела место генерация барионного заряда материи. Эта стадия называется эпохой рождения барионного избытка.

   При температурах плазмы ~10¹⁷ – 10¹⁶ К (10^-10 с от Большого взрыва) имел место так называемый электрослабый фазовый переход. До этого момента электромагнитные взаимодействия и слабые взаимодействия являются единым электрослабым взаимодействием. В эпоху электрослабого перехода проходит расщепление электрослабого взаимодействия.

   При понижении температуры до ~10¹² -10¹¹ К (10^-4 с от Большого взрыва) кварки начинают объединяться и образуют протоны и нейроны. Этот процесс особенно интенсивно протекает при температуре ~10¹¹ К. С этого момента кварки уже не могут существовать в свободном состоянии. Это явление называется «невылетанием кварков» или конфайнментом, а стадия носит название эпохи конфайнмента кварков. В ранней Вселенной, когда её температура была значительно выше данной, протонов и нейронов не было, а существовал так называемый «кварковый суп», в котором кинетическая энергия кварков значительно превосходила их энергию взаимодействия.

   После эпохи образования протонов  и нейронов наступает эпоха первичного нуклеосинтеза. Она была интервалом от 1 до ~200 с, при этом температура Вселенной составляла ~10¹⁰ -10⁹ К. В этот период синтезировались легкие ядра, в основном ядра изотопов водорода и гелия, более тяжелые ядра синтезируются позже в звездах. Оставшиеся нейтроны распались на протоны, электроны и антинейтрино. Эпоха первичного нуклеосинтеза является заключительной стадией, которая относится к ранней Вселенной.

   Следующая эпоха, которая играет  важную роль в космологии, - это  эпоха доминирования темной (скрытой) материи. Природа скрытой материи до сих пор неизвестна. Предполагается, что скрытая материя может состоять из массивных нейтрино (нейтрино, обладающих ненулевой массой) и так называемых нейтралино. Эпоха доминирования скрытого вещества наступает примерно через 700 лет от Большого взрыва при температуре ~3×10⁵ К. Начиная с этой эпохи растут малые возмущения плотности вещества, которые увеличиваются настолько, что в итоге появляются галактики, звезды и планеты.

   Вслед за эпохой доминирования  скрытой материи через 700 тыс.  лет наступила эпоха рекомбинации водорода. До рекомбинации во Вселенной существовала горячая плазма, состоящая из частиц скрытой материи, протонов, электронов, фотонов и некоторого количества легких ядер. Во время рекомбинации протоны и электроны объединяются и образуется водород – один из самых распространенных элементов во Вселенной. Эпоха рекомбинации совпадает с эпохой прозрачности Вселенной. Дело в том, что в плазме свет не распространяется свободно. Фотоны сталкиваются с электронами и протонами, рассеиваются, меняют направление движения и частоту. Другими словами, они «забывают» ту информацию, которую несли до столкновения. Начиная с эпохи рекомбинации плазма исчезает и Вселенная становится прозрачной. Температура Вселенной в эту эпоху составляет ~3×10³ К.

   В промежутках между эпохой  рекомбинации и нашим временем  лежит еще одна важная эпоха – образование крупномасштабной структуры Вселенной, или образование сверхскоплений галактик.

   По расчетам Гамова, в качестве  следов от Большого взрыва  в сегодняшней Вселенной должно сохранится слабое электромагнитное излучение, соответствующее излучению абсолютно черного тела, нагретого всего лишь до 6К. По предложению И.С. Шкловского (1916-1985), это излучение было названо реликтовым, т.е. остаточным от ранних эпох Вселенной.

   С развитием астрономических  средств наблюдения, в частности, с рождением радиоастрономии, появились новые возможности познания Вселенной. В 1965 году американские астрофизики А. Пензиас (род.1933) и Р. Вильсон (род.1936) экспериментально обнаружили реликтовое излучение, температура которого, по современным оценкам, составляет 2,752 К, за что были удостоены в 1978 году Нобелевской премии. Наблюдается реликтовое излучение на волнах длиной от нескольких миллиметров до десятков сантиметров практически изотропно. Наличие изотропного реликтового излучения означает, что Большой Взрыв произошел не в отдельной, избранной точке Космоса (в противном случае оно не приходило бы на Земле со всех сторон), а во всем изначальном Космосе. О том, какие события происходили на начальном этапе Большого взрыва, дает представление модель раздувающейся Вселенной.

   В 1980 году американский ученый  А. Гут (род.1947) высказал предположение  о том, что ранняя Вселенная пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называют раздуванием или инфляцией (от лат. Inflation – вздутие), подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной проходило со все возрастающей скоростью.

   Гут предполагал, что Вселенная  возникла в результате Большого  взрыва в очень горячем, но  довольно хаотичном состоянии.  Высокие температуры означают, что  во Вселенной должны были очень быстро двигаться и меть очень большую энергии. При таких высоких температурах сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия должны были все объединиться в одно. По мере расширения Вселенной она охлаждалась и энергия частиц уменьшалась. Это привело к своеобразному фазовому переходу и симметрия сил была нарушена: сильное взаимодействие начало отличаться от электрослабого (слабое и электромагнитное представляли собой еще единое взаимодействие).

   Такой переход аналогичен фазовому  переходу при замерзании воды. Жидкое состояние воды симметрично, т.е. вода одинакова во всех точках и во всех направлениях. При образовании кристаллов льда появляются выделенные направления и симметрия воды нарушается. Если охладить воду очень осторожно, то её можно «переохладить», т.е. охладить ниже температуры замерзания(0 ⁰С) без образования льда.

   Гут предположил, что Вселенная  могла себя вести похожим образом:  её температура могла упасть  ниже критического значения без  нарушения симметрии сил. При  этом Вселенная оказывается в  нестабильном состоянии с энергией, превышающей ту, которую она имела бы при нарушении симметрии. Эта особая дополнительная энергия приводит к антигравитационному действию аналогично действию космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в общую теорию относительности, пытаясь построить статическую модель Вселенной. Поскольку отталкивание в это время превышает гравитационное притяжение, Вселенная должна расширяться (раздуваться) со все возрастающей скоростью.

   Можно ожидать, что при раздувании  в конце концов нарушается симметрия сил, так же как переохлажденная вода в конце концов замерзает. Тогда лишняя энергия состояния с ненарушенной симметрией должна выделятся, и за счет этого Вселенная разогревается до температуры ~10²⁹ К. В результате такого фазового перехода прекращают действовать силы отталкивания, а Вселенная хотя и продолжает расширятся, но расширяется уже с замедлением скорости. С этого момента Вселенная начинает эволюционировать так, как это предсказывает модель «горячей Вселенной» Гамова.

   В соответствии с гипотезой Гута, фазовый переход происходил очень быстро, как возникают кристаллы льда в очень холодной воде. Идея Гута заключается в том, что внутри старой фазы образуются «пузырьки» новой фазы нарушенной симметрии, подобно тому, как в кипящей воде зарождаются пузырьки пара. Гут предположил, что пузырьки расширяются и сливаются друг с другом до сих пор, пока вся Вселенная не окажется в новой фазе. Однако, как показали английский физик-теоретик С. Хокинг (род. 1942) и другие ученые, Вселенная должна так быстро расширятся, что даже если пузыри росли со скоростью света, они все равно удалялись бы друг от друга и не могли бы сливаться. Вселенная оставалась бы очень неоднородном состоянии, и в некоторых областях симметрия между силами сохранялась бы. Такая модель Вселенной не соответствовала бы тому, что мы наблюдаем сейчас.

   Наполнить новым содержанием  модель раздувающейся Вселенной  удалось в 1983 году российскому  физику А.Д. Линде. Он предположил так называемую хаотическую модель раздувания Вселенной. В ней нет ни фазового перехода, ни переохлаждения, а взамен присутствует квантовое поле, которое из-за квантовых флуктуаций принимает большие значения в некоторых областях ранней Вселенной. В этих областях возникает гравитационное отталкивание, под влиянием которого вышеуказанные области начинают раздуваться. По мере увеличения этих областей энергия поля в них будет медленно уменьшаться, пока раздувание не перейдет в такое же расширение, как в «горячей» модели Большого взрыва. Это должно было произойти в период ~10^-36 -10^-35 с от начала раздувания. Одна из областей могла бы превратиться в современную наблюдаемую Вселенную.

   Исходным состоянием квантового  поля является фактически физический вакуум, в котором постоянно возникают и исчезают виртуальные пары «частица-античастица». В результате флуктуаций вакуум переходит в возбужденное состояние, называемое ложным вакуумом, в котором и возникает гигантские антигравитационные силы отталкивания. Температура вещества в этот момент составляет ~10³² К. Под действием этих сил, как уже говорилось, и началось стремительное раздувание области ложного вакуума – «пузырей пространства», явившихся зародышами одной или нескольких вселенных, и температура вещества при расширении стала понижаться. Формирование пространственно-временных характеристик нашей Вселенной произошло, вероятно, в период с 10^-43 по 10^-42 с. С этого момента принято вести отсчет стадии инфляции, которая протекла в период от 10^-42 до 10^-36 с.