Основные этапы эволюции вселенной

Министерство сельского хозяйства  РФ

ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА»

Кафедра философии и истории

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Основные этапы эволюции вселенной»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

Студентка 114 гр.

Чистякова М. В.

Проверила:

Волкова  Е.М

 

 

 

 

 

 

 

Пенза 2012

Содержание

Введение……………………………………………..……………….………………..…..3

Глава 1. Эволюция Вселенной…………………….……………………………………..4

1.1 Адронная  эра……………………………………………………………………….4

1.2 Лептонная  эра……………………………………………………………………...5

1.3 Фотонная  эра или эра излучения…………………………………………………6

1.4 Звездная  эра………………………………………………………………………..7

Глава 2. Строение Галактик и Вселенной………………………………………………8

Глава 3. Образование  Вселенной……………………………………………………….12

     3.1. Теория ”Большого взрыва”……………………………………………………...12

     3.2. Антропный принцип……………………………………………………………..12

Глава 4. Образование химических элементов…………...……………………………..15

Заключение……………………………………………………………………...………..16

Список литературы…………………………………………………………….….....…..17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Никто в семнадцатых, восемнадцатых, девятнадцатых или ранних двадцатых столетиях, не считал, что Вселенная могла развиваться со временем. Ньютон и Эйнштейн оба пропустили шанс предсказания, что Вселенная могла бы или сокращаться, или расширяться. Нельзя действительно ставить это против Ньютона из-за того, что он жил двести пятьдесят лет перед открытием расширения Вселенной. Но Эйнштейн должен был знать это лучше. Когда он сформулировал теорию относительности, чтобы проверить теорию Ньютона с его собственной специальной теорией относительности, он добавил так называемую «космическую константу». Она представляла собой отталкивающий гравитационный эффект, который мог бы балансировать эффект притяжения материала во Вселенной. Таким образом, было возможно иметь статическую модель Вселенной.

Эйнштейн позже сказал: «Космическая константа была величайшей ошибкой моей жизни». Это произошло после наблюдений отдаленных галактик Эдвином Хабблом в 1920 году и показало, что они перемещаются далеко от нас, со скоростями, которые были приблизительно пропорциональными их расстоянию от нас. Другими словами, Вселенная не статическая, как прежде было принято думать: она расширяется. Расстояние между галактиками возрастает со временем.

 

Глава 1. Эволюция Вселенной

 

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 ничтожным 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 настолько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.

На начальном этапе расширения Вселенной из фотонов рождались  частицы и античастицы. Этот процесс  постоянно ослабевал, что привело к вымиранию частиц и античастиц. Поскольку аннигиляция может происходить при любой температуре, постоянно осуществляется процесс частица + античастица Þ 2 гамма-фотона при условии соприкосновения вещества с антивеществом. Процесс материализации гамма-фотон Þ частица + античастица мог протекать лишь при достаточно высокой температуре. Согласно тому, как материализация в результате понижающейся температуры раскаленного вещества приостановилась, эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную и звездную.

1.1. Адронная эра

При очень высоких  температурах и плотности в самом  начале существования Вселенной  материя состояла из элементарных частиц. Вещество на самом раннем этапе состояло, прежде всего, из адронов, и поэтому  ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны.

Через миллионную долю секунды  с момента рождения Вселенной, температура T упала на 10 биллионов Кельвинов(10¹³K). Средняя кинетическая энергия частиц kT и фотонов hν составляла около миллиарда эв (10³ Мэв), что соответствует энергии покоя барионов. В первую миллионную долю секунды эволюции Вселенной происходила материализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но по прошествии этого времени материализация барионов прекратилась, так как при температуре ниже 10¹³K фотоны не обладали уже достаточной энергией для ее осуществления. Процесс аннигиляции барионов и антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов (протоны и нейтроны). Так во Вселенной исчезла самая большая группа барионов - гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад гиперонов происходил на этапе с 10^-6 до 10^-4 секунды.

К моменту, когда возраст  Вселенной достиг одной десятитысячной секунды (10^-4с.), температура ее понизилась до 10¹²K, а энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже для возникновения самых легких адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг 10^-4 с., в ней исчезли все мезоны. На этом и кончается адронная эра, потому что пионы являются не только самыми легкими мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда после этого сильное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды.

1.2. Лептонная эра

Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв, в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.

Лептонная эра начинается с распада последних адронов - пионов - в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре 10¹⁰K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем “реликтовыми”. Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.

1.3. Фотонная эра или эра излучения

На смену лептонной эры пришла эра излучения, как только температура Вселенной понизилась до 10¹⁰K , а энергия гамма фотонов достигла 1 Мэв, произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Новые электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, потому, что фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества. Со времени адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два миллиарда раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по энергии.

 Для того чтобы можно было  сравнивать роль частиц и фотонов во Вселенной, была введена величина плотности энергии. Это количество энергии в 1 см³, точнее, среднее количество (исходя из предпосылки, что вещество во Вселенной распределено равномерно). Если сложить вместе энергию hν всех фотонов, присутствующих в 1 см³, то мы получим плотность энергии излучения Er. Сумма энергии покоя всех частиц в 1 см³ является средней энергией вещества Em во Вселенной.

 Вследствие расширения Вселенной  понижалась плотность энергии  фотонов и частиц. С увеличением  расстояния во Вселенной в два раза, объём увеличился в восемь раз. Иными словами, плотность частиц и фотонов понизилась в восемь раз. Но фотоны в процессе расширения ведут себя иначе, чем частицы. В то время как энергия покоя во время расширения Вселенной не меняется, энергия фотонов при расширении уменьшается. Фотоны понижают свою частоту колебания, словно «устают» со временем. Вследствие этого плотность энергии фотонов (Er) падает быстрее, чем плотность энергии частиц (Em). Преобладание во Вселенной фотонной составной над составной частиц (имеется в виду плотность энергии) на протяжении эры излучения уменьшалось до тех пор, пока не исчезло полностью. К этому моменту обе составные пришли в равновесие, то есть (Er=Em). Кончается эра излучения и вместе с этим период «Большого взрыва». Так выглядела Вселенная в возрасте примерно 300 000 лет. Расстояния в тот период были в тысячу раз короче, чем в настоящее время.

1.4. Звездная эра

После «Большого взрыва»  наступила продолжительная эра  вещества, эпоха преобладания частиц. Мы называем её звездной эрой. Она продолжается со времени завершения «Большого взрыва» (приблизительно 300 000 лет) до наших дней. По сравнению с периодом «Большого взрыва» её развитие представляется как будто замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры. Таким образом, эволюцию Вселенной можно сравнить с фейерверком, который окончился. Остались горящие искры, пепел и дым. Мы стоим на остывшем пепле, вглядываемся в стареющие звезды и вспоминаем красоту и блеск Вселенной. Взрыв суперновой или гигантский взрыв галактики - ничтожные явления в сравнении с большим взрывом.

 

Глава 2. Строение Галактик и Вселенной

Звезды во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Звездная система. В составе  которой, как рядовая звезда находится наше Солнце, называется Галактикой.

Число звезд в галактике порядка 10¹² (триллиона). Млечный путь, светлая серебристая полоса звезд опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. Млечный путь наиболее ярок в созвездии Стрельца, где находятся самые мощные облака звезд. Наименее ярок он в противоположной части неба. Из этого нетрудно вывести заключение, что солнечная система не находится в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия Стрельца. Чем дальше от плоскости Млечного Пути, тем меньше там слабых звезд и тем менее далеко  в этих направлениях тянется звездная система.

Наша  Галактика занимает пространство, напоминающее линзу или чечевицу, если смотреть на нее сбоку. Размеры Галактики  были намечены по расположению звезд, которые видны на больших расстояниях. Это цефиды и горячие гиганты. Диаметр Галактики примерно равен 3000 пк (Парсек (пк) – расстояние, с которым большая полуось земной орбиты, перпендикулярная лучу зрения, видна под углом в 1”. 1 Парсек = 3,26 светового года = 206265 а.е. = 3*10¹³ км.) или 100000 световых лет (световой год – расстояние пройденное светом в течении года), но четкой границы у нее нет, потому что звездная плотность постепенно сходит на нет.

В центре галактики расположено ядро диаметром 1000-2000 пк – гигантское уплотненное скопление звезд. Оно находится от нас на расстоянии почти 10000 пк (30000 световых лет) в направлении созвездия Стрельца, но почти целиком скрыто плотной  завесой облаков, что препятствует визуальным и фотографическим обычным наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики. В состав ядра входит много красных гигантов и короткопериодических цефид.

Звезды  верхней части главной последовательности а особенно сверхгиганты и классические цефиды, составляют более молодые население. Оно располагается дальше от центра и образует сравнительно тонкий слой или диск. Среди звезд этого диска находится пылевая материя и облака газа. Субкарлики и гиганты образуют вокруг ядра и диска Галактики сферическую систему.

Масса нашей галактики оценивается  сейчас разными способами, равна 2*10¹¹ масс Солнца (масса Солнца равна 2*10³⁰ кг.) причем 1/1000 ее заключена в межзвездном газе и пыли. Масса Галактики в Андромеде почти такова же, а масса Галактики в Треугольнике оценивается в 20 раз мменьше. Поперечник нашей галактики составляет 100000 световых лет. Путем кропотливой работы московский астрономом В.В. Кукарин в 1944 г. нашел указания на спиральную структуру галактики, причем оказалось, что мы живем между двумя спиральными ветвями, бедном звездами.

Существует  два вида звездных скоплений: рассеянные и шаровые. Рассеянные скопления  состоят обычно из десятков или сотен  звезд главной последовательности и сверхгигантов со слабой концентрацией  к центру.

Шаровые же скопления состоят из десятков или сотен звезд главной  последовательности и красных гигантов. Иногда они содержат короткопериодические цефеиды. Размер рассеянных скоплений  – несколько парсек. Пример их скопления  Глады и Плеяды в созвездии  Тельца. Размер шаровых скоплений с сильной концентрацией звезд к центру – десяток парсек. Известно более 100 шаровых и сотни рассеянных скоплений, но в Галактике последних должно быть десятки тысяч.

Кроме звезд в состав Галактики  входит еще рассеянная материя, чрезвычайно рассеянное вещество, состоящее из межзвездного газа и пыли. Оно образует туманности. Туманности бывают диффузными (клочковатой формы и планетарными. Светлые они от того, что их освещают близлежащие звезды. Пример: газопылевая туманность в созвездии Ориона и темная пылевая туманность Конская голова.

Хаббл предложил разделить все  галактики на 3 вида:

1. Эллиптические – обозначаемые  Е (elliptical);
2. Спиральные (Spiral);
3. Неправильные – обозначаемые (irregular).