Модель Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной

Министерство образования и науки РФ ФГБОУ ВПО КГПУ им. В.П. Астафьева

 

 

 

Доклад:

Модель Большого Взрыва и

расширяющейся Вселенной

 

 

 

Выполнила: студентка 13 группы

Чекрякова, О.М

Проверил: д.б.н., профессор В.В Виноградов

 

 

 

Красноярск,2013

Большо́й взрыв — общепринятая космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной, а именно — начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.

 

Нас интересуют события, которые произошли, по разным оценкам, 13,7 млрд. лет назад. Все это время наша Вселенная постоянно расширялась. Большим взрывом называется явление возникновения Вселенной. В рамках этой концепции полагается, что начальным состоянием Вселенной была точка, называемая точкой сингулярности, в которой были сосредоточены все вещество и энергия. Она характеризовалась бесконечно большой плотностью материи. Конкретные свойства точки сингулярности неизвестны, как неизвестно и то, что предшествовало состоянию сингулярности. Согласно теории А. Фридмана следует, что плотность могла быть бесконечно большой, хотя некоторые ученые называют некий возможный предел значения плотности вещества, примерно равный 10 кг/м3.

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».

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 (характеризуется снижением температуры до 10 К, аннигиляцией электронов и позитронов, давление излучения полностью отделяет вещество от антивещества);

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, характеризующейся бесконечно высокими плотностью, давлением, температурой и кривизной. 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».

 

В течение первой миллионной доли секунды, когда температура значительно превышала 10 К (по некоторым оценкам до 10  К),  а плотность была немыслимо велика, происходили неимоверно быстро сменяющие себя экзотические взаимодействия, недоступные пониманию в рамках современной физики. Мы можем лишь размышлять, каковы были эти первые мгновения, например, возможно, что четыре фундаментальные силы природы были слиты воедино. Есть основания полагать, что к концу первой миллионной доли секунды уже существовал первичный «бульон» богатых энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества. Иными словами материя Вселенной представляла собой электронно-позитронные пары (е и е); мюонами и антимюонами (м и м); нейтрино и антинейтрино, как электронными (v, v), так и мюонными (v, v) и тау-нейтрино (v, v); нуклонами (протонами и нейтронами) и электромагнитным излучением. Эта самовзаимодействующая масса находилась в состоянии так называемого теплового равновесия.

В те первые мгновения все имевшиеся частицы должны были непрерывно возникать (парами – частица и античастица) и аннигилировать. Это взаимное превращение частиц в излучение и обратно продолжалось до тез пор, пока плотность энергии фотонов превышала значение пороговой энергии образования частиц. Когда возраст Вселенной достиг одной сотой доли секунды, ее температура упала примерно до 10 К, став ниже порогового значения, при котором могут рождаться протоны и нейтроны, некоторые из этих частиц избежали аннигиляции – иначе в современной нам

Вселенной не было бы вещества. Через 1 секунду после Большого взрыва температура понизилась до 10  К и нейтрино перестали взаимодействовать с веществом. Вселенная стала практически «прозрачной» для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова, но примерно через 10 секунд уровень плотности энергии излучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение катастрофического процесса взаимной аннигиляции. По окончанию этого процесса, однако, осталось определенное количество электронов, достаточное, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.

 

В наше время существуют две основных научных теории возникновения Вселенной. Согласно теории стабильного состояния материя, энергия, пространство и время существовали всегда. Но тут же возникает логичный вопрос: почему сейчас никому не удается создать материю и энергию? Это утверждает Первый закон термодинамики, ни одного исключения из которого не удалось обнаружить. Напротив, всё стремится к распаду и разрушению. Энергия иссякает, становясь все менее способной к совершению работы (это называют Вторым законом термодинамики). Бесконечно старая Вселенная должна быть полностью лишена полезной энергии и каких-либо изменений - достигнуть состояния, называемого тепловой смертью. 
 
Самая популярная теория происхождения Вселенной, поддерживаемая большинством теоретиков - теория большого взрыва. Подобно библейскому повествованию о сотворении она утверждает, что Вселенная возникла внезапно, но это было случайное событие, произошедшее миллиарды лет назад Оценка возраста Вселенной последнее время колебалась в пределах 8-20 миллиардов лет. Сейчас речь ведется о 12 миллиардах лет. 
 
Теорию большого взрыва предложили в 20-х годах XX века ученые Фридман и Леметр, в сороковых годах ее дополнил и переработал Гамов. Согласно этой теории когда-то наша Вселенная представляла \собой бесконечно малый сгусток, сверхплотный и раскаленный до очень высоких температур. Это нестабильное образование внезапно взорвалось, пространство быстро расширилось, а температура разлетающихся частиц, обладающих высокой энергией, начала снижаться. Примерно после первого миллиона лет атомы двух самых легких элементов, водорода и гелия, стали стабильными. Под действием сил притяжения начали концентрироваться облака материи. В результате сформировались галактики, звезды, и другие небесные тела Звезды старели, взрывались сверхновые, после чего появлялись более тяжелые элементы. Они формировали звезды более позднего поколения, такие, как наше Солнце. В качестве доказательств того, что в свое время произошел большой взрыв, говорят о красном смещении света от объектов, расположенных на больших расстояниях и микроволновом фоновом излучении.

 

 

После сжатия в точку, после того, что мы именуем гибелью Вселенной (но что, может, вовсе и не есть ее гибель), начинается новый цикл. Вспомним об упомянутом уже реликтовом излучении, эхе "Большого Взрыва", породившего нашу Вселенную. Излучение это, оказывается, приходит не только из прошлого, но и "из будущего"! Это отблеск "мирового пожара", исходящего от следующего цикла, в котором рождается новая Вселенная. Температура реликтового излучения, наблюдаемого сегодня, на 3? выше абсолютного нуля. Это и есть температура "электромагнитной зари", знаменующей рождение новой Вселенной.  
Реликтовое излучение - только ли оно пронизывает наш мир, приходя как бы с двух сторон - из прошлого и грядущего? Только ли это? Материя, составляющая мир, Вселенную и нас, возможно, несет в себе некую информацию. Исследователи с долей условности, но говорят уже о "внутреннем опыте", своего рода "памяти" молекул, атомов, элементарных частиц. Атомы углерода, побывавшего в живых существах "биогенные".  
Коль скоро в момент схождения Вселенной в точку материя не исчезает, то не исчезает, неуничтожима и информация, которую она несет. Наш мир заполнен ею, как он заполнен, материей, составляющей его. Вселенная, что придет на смену нашей, будет ли она её повторением? Вполне возможно, отвечают некоторые космологи. Вовсе не обязательно, возражают другие. Нет никаких физических обоснований, считает, например, доктор Р.Дик из Принстонского университета, чтобы всякий раз в момент образования Вселенной физические закономерности были те же, что и в момент начала нашего цикла. Если же эти закономерности будут отличаться даже самым незначительным образом, то звезды не смогут впоследствии создать тяжелые элементы, включая углерод, из которого построена жизнь. Цикл за циклом Вселенная может возникать и уничтожаться, не зародив ни искорки жизни. Такова одна из точек зрения. Ее можно было бы назвать точкой зрения "прерывистости бытия". Оно прерывисто, даже если в новой Вселенной и возникает жизнь: никакие нити не связывают ее с прошлым циклом.

 

Список литературы:

1.Гивишвили Г.В. Антропогенная вселенная // Химия и жизнь.- 1993.- № 6. 
2. Гласс Л., Мэкки М. От часов к хаосу. Ритмы жизни.- М.: Мир, 1991.  
3. Грибов Л.А., Прокофьева Н.И. Основы физики.- М.: Наука, 1995.  
4. Жвирблис В.Е. Почему летит "стрела времени" // Химия и жизнь.- 1993.- № 12. 
5. Капра Ф. Дао физики.- СПб.: Орис, 1994. 
6. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1998.

7. http://elementy.ru/