Модель Большого Взрыва и хронология Вселенной

Ó Ахмедзянов С.М. Концепции современного естествознания. ЭиУ-285,  ЮУрГУ, 1999.

Министерство общего и профессионального  образования РФ

Южно-Уральский Государственный  Университет

 

Кафедра физической химии

 

 

 

 

 

 

Концепции современного естествознания

 

 

 

 

Модель  Большого Взрыва и хронология Вселенной

 

 

 

 

Выполнил:

Ахмедзянов С.М.

Ст. гр. ЭиУ-285

 

Проверил:

Доцент, кандидат     технических  наук

Тепляков Ю.Н.

  ________________

 

                 «___»______1999 г.

 

 

Челябинск

1999

Аннотация

 

Эта работа посвящена проблеме изучения происхождения нашей Вселенной. В данной работе рассматриваются теория Большого Взрыва, а так же первые мгновения жизни Вселенной.

Автор не рассматривает альтернативных теорий, не поддерживаемых большинством ученых.

Использованы труды российских и иностранных учёных, а так  же новейшие астрономические безавторские материалы, полученные по сети Internet.

 

Содержание:

 

Введение

 

Исследованием Вселенной стал заниматься еще самый древний Человек. Небо было доступно для его обозрения – оно было для него интересным. Недаром астрономия – самая древняя из наук о природе – и, по сути, почти самая древняя наука вообще.

Не потерял интереса к изучению проблем космоса и Современный Человек. Но он смотрит уже немного глубже: ему не просто интересно что есть Вселенная сейчас – он жаждет знаний о том

• что было когда Вселенная рождалась?
• рождалась ли она Вообще или она глобально стационарна?
• как давно это было и как происходило?

Для поиска ответа на все  эти Непростые ответы была отведена специальная ниша в астрономии –  космология.

Космология¹  - это физическое учение² о Вселенной как в целом, включающее в себя теорию всего охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной.

Космология попыталась дать ответы³ на эти вопросы. Была создана теория Большого Взрыва, а так же теории, описывающие первые мгновения рождения Вселенной, ее появление и структуризаци..

Всё это позволяет нам понять сущность физических процессов, показывает источники, создающие современные законы физики, даёт возможность прогнозировать дальнейшую судьбу Вселенной.

Поэтому космология, как  и любая другая наука живет  и  бурно развивается, принося  все новые и новые фундаментальные  знания об окружающем нас мире. Хотя и не так стремительно, как например, компьютерные технологии, и  в большей мере за счет «альтернативных» теорий, но все-таки развивается.

Данная работа посвящена  проблеме изучения происхождения нашей  Вселенной: в ней рассматриваются  теория Большого Взрыва, а так же первый мгновения жизни Вселенной.

 

А бал ли Большой Взрыв?

На этот вопрос современная наука  дает совершенно определенный ответ: Большой  Взрыв был! Вот что, например, написал  по этому поводу академик Я.Б. Зельдович  в 1983 г.: «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 выступления не в состоянии препятствовать успеху новых теорий»⁴.

На чем основана уверенность  в справедливости теории «горячей Вселенной»⁵ ? Неужели существуют совершенно неопровержимые свидетельства в её пользу?

Отвечая на все эти вопросы, заметим, что имеется ряд данных, которые  не противоречат теории «горячей Вселенной». К их числу относятся, например, данные о возрасте небесных тел. Мы знаем, что возраст Солнечной системы близок к 4,6 млрд. лет. Менее точно известен возраст самых старых звезд. Скорее всего, он близок к возрасту нашей и других галактик. (10-15 млрд. лет). Следовательно, данные о возрасте небесных тел не противоречат данным о возрасте Метагалактики. Если бы, например, получилось, что время, прошедшее от Большого Взрыва меньше, чем возраст Земли, Солнца или Галактики, то это следовало бы рассматривать как факты, противоречащие космологическим моделям Фридмана и «горячей Вселенной».

Данные радиоастрономии свидетельствуют  о том, что в прошлом далекие  внегалактические радиоисточники излучали больше, чем сейчас. Следовательно, эти радиоисточники эволюционируют. Когда мы сейчас наблюдаем мощный радиоисточник, мы не должны забывать  о том, что перед нами его далёкое прошлое (ведь сегодня радиотелескопы принимают волны, которые были излучены миллиарды лет назад). Тот факт, что радиогалактики и квазары эволюционируют, причем время их эволюции соизмеримо со временем существования Метагалактики, принято так же  рассматривать в пользу теории Большого Взрыва.

Важное подтверждение «горячей Вселенной» следует из сравнения  наблюдаемой распространенности химических элементов с тем соотношением между количеством гелия и водородв (около ¼ гелия и примерно ¾ водорода), которое возникло во время первичного термоядерного синтеза.

Реликтовое излучение

И все-таки главным подтверждением теории «горячей Вселенной» считается открытие реликтового излучения. Для космологии это открытие имело фундаментальное значение. В истории наблюдательной космологии открытие реликтового излучения, пожалуй, сопоставимо по значению с открытием расширения Метагалактики.

Что же это за излучение и как  оно было открыто? При «отрыве»⁶ излучения от вещества, когда температура в расширяющейся Вселенной была порядка 3000-4000 К, в холде последующего расширения Вселенной температура излучения падала, но его характер (спектр) сохранился до наших дней, напоминая о далекой молодости Метагалактики. Вот поэтому советский астрофизик И.С. Шкловский предложил называть это излучение реликтовым.

Таким образом, теория «горячей Вселенной» предсказывает существование реликтового  излучения.

Еще в конце 40-х – начале 50-х  гг. в работах Г.А. Гамова, а затем  его учениеков Р. Альфера и Р. Германа содержались предполагаемые оценки температуры реликтового излучения (от 25 до 5 К). В 1964 г. советские астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич впервые выполнили более конкретные расчеты. Они сравнили интенсивность других источников (звезды, межзвездная пыль, галактики и т.д.) в сантиметровом диапазоне длин волн. Примерно в это же время группа американских ученых во главе с Р. Дикке уже приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение, но их опередили А. Пензиас и Р. Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую Премию за открытие космического микроволнового фона (такового официальное название реликтового излучения) на волне 7,35 см.

В отличие от группы Р. Дикке, будущие  лауреаты Нобелевской премии не искали реликтовое излучение, а в основном занимались отладкой радиоантенны для работ по программе спутниковой  связи: во время наблюдений с июля 1964 г. по апрель 1965 г. они, а так же их коллеги,  при различных положениях антенны, регистрировали космическое излучение,. Природа которого им была неясна – этим излучением как раз и оказалось реликтовое излучение.

 

Сценарий далекого прошлого.

Итак, нас будет интересовать эпоха, которая отделена от нынешней на 13 – 20 млрд. лет (20 млрд. лет вычислено  в соответствии с теорией «открытого мира», 13 млрд. лет – в соответствии с теорией «открытого мира»). Поскольку всё это время наша Вселенная расширялась и плотность ее непрерывно уменьшалась, в прошлом плотность должна была быть очень большой.

Из теории Фридамана следует, что  в прошлом плотность могла быть бесконечно большой (на самом деле существует некий предел значения плотности (»10⁹⁷  кг/м³). А с начала рассматриваемой нами андронной эры Большого Взрыва Вселенной она не превышает плотности атомного ядра (»10¹⁷  кг/м³).

Нам необходимо так же определиться и с другими параметрами, из которых, пожалуй, самым важным, является температура. Вопрос о том, холодной или горячей была материя в ту отдаленную от нас эпоху, долгое время оставался спорным. Приводились доводы в пользу обоих состояний. Решающее доказательство того, что Вселенная была горячей, удалось получить лишь в середине 1960-х.

В настоящее время большинство  космологов считает, что в начале расширения Вселенной материя была не только очень плотной, но и очень  горячей. А теория, рассматривающая физические процессы, происходившие на ранних стадиях расширения Вселенной, начиная с первой секунды после «начала», получила название теории «горячей Вселенной».

«Горячая Вселенная»

Согласно этой теории, ранняя Вселенная  напоминала гигантский ускоритель «элементарных» частиц. Слово «элементарных» взято в кавычки, так каакнаши представления о составных частях материи быстро изменяются. Если раньше к числу элементарных частиц уверенно от носили нейтроны и протоны, то сейчас эти частицы относят к числу составных, построенных из кварков.

Большой Взрыв: самое начало

Началом работы Вселенского ускорителя был Большой Взрыв. Этот термин очень часто применяют сегодня космологи. Наблюдаемый разлет галактик⁷ и скопления галактик – следствие Большого взрыва.  Однако, Большой Взрыв, который академик Я.Б. Зельдович назвал астрономическим, качественно отличается от каких-либо химических взрывов.

У обоих взрывов есть черты сходства: например, в обоих случаях вещество после взрыва охлаждается при  расширении, падает и его плотность. Но есть и существенные отличия. Главное из них заключается в том, что химический взрыв обусловлен разностью давлений во взрывающемся веществе и давлением в окружающей среде (воздухе). Эта разность давлений создает силу, которая сообщает ускорение частицам заряда взрывчатого вещества.

В астрономическом взрыве подобной разности давлений не существует. В  отличие от  химического астрономический  взрыв не начался из определенного  центра (и потом стал распространяться на все большие области пространства), а произошел сразу во всем существовавшем тогда пространстве. Представить себе это очень трудно, тем более, что «все пространство» могло быть в начале взрыва конечным (в случае замкнутого мира) и бесконечным (в случае открытого мира)…

Пока мало что известно, что происходило в первую секунду после начала расширения, и еще меньше о том, что было до начала расширения. Но, к счастью, это незнание не явилось помехой для очень детальной разработки теории «горячей Вселенной» и сценарий, к рассмотрению которого мы сейчас переходим, основан не на умозрительных рассуждениях, а на строгих расчетах.

Итак,  в результате Большого взрыва 13-20 млрд. лет назад начал действовать  уникальный ускоритель частиц, в ходе работы которого непрерывно и стремительно сменяли друг друга процессы рождения и гибели (аннигиляции) разнообразных частиц. Как мы увидим в следующих главах, эти процессы во многом определили всю последующую эволюцию Вселенной, нынешний облик нашей Вселенной и создал необходимые предпосылки для возникновения и развития жизни.

Большой Взрыв: продолжение

Итак, мы выяснили, что Вселенная постоянно расширяется; тот момент с которого Вселенная  начала расширятся, принято считать  ее началом; тогда началась первая и  полная драматизма эра в истории  вселенной, ее называют  “Большим Взрывом” или английским термином Big Bang.

Что же такое – расширение Вселенной  на более низком, конкретном уровне ?

Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда то же самое количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий объём.

Итак, кратко изложим все те умозаключения  о возможных параметрах Вселенной  на стадии Большого Взрыва, к которым  мы пришли.

Средняя плотность Вселенной в результате расширения постепенно понижается. Из этого следует, что в прошлом плотность Вселенной была больше, чем в настоящее время. Можно предположить, что в глубокой древности (примерно десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была очень большой.

Кроме того высокой должна была быть и температура⁸, настолько высокой, что плотность излучения превышала плотность вещества. Иначе говоря энергия всех фотонов содержащихся в 1 куб. см была больше суммы общей энергии частиц, содержащихся в 1 куб. см. На самом раннем этапе, в первые мгновения “Большого Взрыва” вся материя была сильно раскаленной  и густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но  возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы.

   Подробный анализ показывает, что температура вещества Т понижалась во времени в соответствии с простым соотношением :

                                       

                   

    Зависимость температуры Т от времени t дает нам возможность определить, что например, в момент, когда возраст Вселенной исчислялся всего одной десятитысячной секунды,  её температура представляла  один  биллион  Кельвинов.

Эволюция вещества

   Температура  раскаленной плотной материи  на начальном этапе Вселенной со временем понижалась, что и отражается в соотношении. Это значит, что понижалась средняя кинетическая энергия частиц kT . Согласно соотношению hn=kT понижалась и энергия фотонов. Это возможно лишь в том случае, если уменьшится их частота n. Понижение энергии фотонов во времени имело для возникновения частиц и античастиц путем материализации важные последствия. Для того чтобы фотон превратился (материализовался) в частицу и античастицу с массой m_o и энергией покоя m_oc², ему необходимо обладать энергией 2 m_oc² или большей. Эта  зависимость выражается  так :