Современные теории о дальнейшей эволюции вселенной

9

План

Введение                                                                                                                   3

1.  Формирование планет по теории «Большого взрыва»                                   5

2. История Вселенной согласно стандартной модели «Большого взрыва»      9

3. Стандартный сценарий «Большого взрыва»                                                   15

4. Современные теории о дальнейшей эволюции вселенной                            20

5. Проблемы теории «Большого взрыва»                                                            22

Заключение                                                                                                             27

Список используемой литературы

Введение

Астрономы употребляют термин «Большой взрыв» в двух взаимосвязанных значениях. С одной стороны этим термином называют само событие, ознаменовавшее зарождение Вселенной около 15 миллиардов лет назад; с другой — весь сценарий ее развития с последующим расширением и остыванием.
         Концепция Большого взрыва появилась с открытием в 1920-е годы закона Хаббла. Этот закон описывает простой формулой результаты наблюдений, согласно которым видимая Вселенная расширяется и галактики удаляются друг от друга. Нетрудно, следовательно, мысленно «прокрутить пленку назад» и представить, что в исходный момент, миллиарды лет назад, Вселенная пребывала в сверхплотном состоянии. Такая картина динамики развития Вселенной подтверждается двумя важными фактами.
В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили, что Вселенная наполнена электромагнитным излучением в микроволновом диапазоне частот. Последовавшие измерения показали, что это характерное классическое излучение черного тела, свойственное объектам с температурой около –270°С (3 К), т. е. всего на три градуса выше абсолютного нуля.

Пензиас и Уилсон определили температуру «космических углей» Вселенной после того, как она остывала на протяжении 15 миллиардов лет: ее фоновое излучение оказалось в диапазоне микроволновых радиочастот.
Исторически это открытие и предопределило выбор в пользу космологической теории Большого взрыва. Другие модели Вселенной (например, теория стационарной Вселенной) позволяют объяснить факт расширения Вселенной, но не наличие космического микроволнового фона.
         Ранняя Вселенная была очень горячей. Даже если протоны и нейтроны при столкновении объединялись и формировали более тяжелые ядра, время их существования было ничтожным, потому что уже при следующем столкновении с еще одной тяжелой и быстрой частицей ядро снова распадалось на элементарные компоненты. Выходит, что с момента Большого взрыва должно было пройти около трех минут, прежде чем Вселенная остыла настолько, чтобы энергия соударений несколько смягчилась и элементарные частицы начали образовывать устойчивые ядра.           В истории ранней Вселенной это ознаменовало открытие окна возможностей для образования ядер легких элементов. Все ядра, образовывавшиеся в первые три минуты, неизбежно распадались; в дальнейшем начали появляться устойчивые ядра. Однако это первичное образование ядер (так называемый нуклеосинтез) на ранней стадии расширения Вселенной продолжался очень недолго. Вскоре после первых трех минут частицы разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения между ними стали крайне редкими, и это ознаменовало закрытие окна синтеза ядер. В этот краткий период первичного нуклеосинтеза в результате соударений протонов и нейтронов образовались дейтерий (тяжелый изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре), гелий-3 (два протона и нейтрон), гелий-4 (два протона и два нейтрона) и, в незначительном количестве, литий-7 (три протона и четыре нейтрона). Все более тяжелые элементы образуются позже — при формировании звезд.

Теория Большого взрыва позволяет определить температуру ранней Вселенной и частоту соударений частиц в ней. Как следствие, мы можем рассчитать соотношение числа различных ядер легких элементов на первичной стадии развития Вселенной. Сравнив эти прогнозы с реально наблюдаемым соотношением легких элементов (с поправкой на их образование в звездах), мы обнаруживаем впечатляющее соответствие между теорией и наблюдениями.

1. Формирование планет по теории «Большого взрыва»

 Возможность расширения Вселенной была предсказана теоретически как одно из следствий применения к решению космологических проблем общей теории относительности. Первые труды в этой области принадлежат талантливому советскому математику Александру Александровичу Фридману (1888— 1925). Он широко известен как геофизик-метеоролог, специалист по прикладным вопросам динамики атмосферы. Но много времени Фридман отдал математическому анализу решений космологических уравнений Эйнштейна. Незадолго до смерти Фридман получил серию решений уравнений Эйнштейна.  

Выходило, что расширение может явиться одним из основных общих свойств Вселенной — важнейшим атрибутом ее эволюции. Работы русского ученого поначалу не привлекли к себе должного внимания. Они были оценены по достоинству лишь в связи с открытием Э. Хабблом красного смещения и развитием современных представлений о первоначально горячей Вселенной и Большом Взрыве. 

В 1927 году Ж. Леметр, студент из Эддингтона, независимо от Фридмана выдвинул свою идею возникновения Вселенной и ее дальнейшего расширения из точки. Ей дали на некоторое время название «атома-отца». Сам Леметр категорически был против подобного образа и вообще теологической трактовки своей теории. Процесс возникновения Вселенной Леметр представил в форме Большого Взрыва. Молодой ученый первым попытался найти и вероятные следы начального Взрыва. Леметр допускал, что таким отголоском могли быть космические лучи. Его гипотезу астрономы заметили лишь после выступления в 1933 году, когда Леметр выдвинул новый вариант концепции расширения Вселенной — из плотного сгустка материи конечных, но очень малых размеров.

 Задача формирования более конкретной, физически разработанной эволюционной космолого-космогонической модели расширяющейся Вселенной была решена в основном американским физиком Гамовым, русским по происхождению. Джордж (Георгий Антонович) Гамов (1904— 1968) впервые предложил в 1946 году теорию, получившую затем наименование «теории Большого Взрыва» (а точнее — «Большого Удара»). Согласно ей, вся современная наблюдаемая Вселенная представляет собой результат катастрофически быстрого разлета материи, находившейся до того в сверхплотном состоянии, недоступном для описания в рамках современной физики. 

Удаление галактик подчиняется необычным математическим закономерностям. Оно происходит с различными скоростями. Чем больше расстояние между галактиками, тем выше оказывается скорость их взаимного удаления. 

«Мы в силах построить модель описанного выше «разбегания» галактик, — пишет А.А. Гурнштейн, — если не будем рассматривать реальное бесконечное пространство трех измерений, а ограничимся в своей модели лишь поверхностью — пространством двух измерений.[8] Представим себе, что «вся Вселенная» расположена на некоторой замкнутой поверхности, которая подобна поверхности постоянно раздуваемого резинового шара. Пусть галактики в нашей модели изображаются точками, нанесенными на поверхности этого шара. По мере его раздувания все расстояния между «галактиками», измеренные по поверхности шара, действительно будут систематически увеличиваться, причем скорость разбегания «галактик» окажется тем больше, чем больше было первоначальное расстояние между ними».

Как считал Гамов, начавшееся при этом расширение материи — в форме неразделимой вначале высокотемпературной смеси излучения и вещества (элементарных частиц) — наблюдается и в наши дни в виде эффекта «красного смещения».

Гамов вместе со своими сотрудниками Р. Альфером и Р. Германом в 1948 году предсказал, что должно наблюдаться и остывшее первичное изотропное электромагнитное излучение тепловое с температурой около 5 К.

«Однако развитию теории в значительной степени препятствовало общее скептическое отношение астрофизиков тех лет к возможности решения столь фантастической задачи — понять «начало истории всей Вселенной в целом», — пишут в своей книге «История астрономии» А.И.[8] Еремеева и Ф.А. Цицин. — С другой стороны, уловить в мировом пространстве с помощью имевшейся аппаратуры тепловое радиоизлучение столь низкой температуры специалисты-радиофизики считали совершенно невозможным уже из-за того, что подобный сигнал был бы заглушён радиоизлучением звезд, галактик, межзвездной среды, короче, космическим радиошумом.[1]

Почти два десятилетия концепция Большого Взрыва для большинства астрономов оставалась «игрой ума» немногих физиков и космологов И только позднее стало ясно, что более раннему решению проблемы в немалой степени помешал тот разрыв в научных контактах, который все еще существует между современными теоретиками и наблюдателями. Сыграла существенную негативную роль и дифференцированность науки, из-за которой специалисты, даже работающие в близких областях, порой мало знают о проблемах своих соседей».

Следствием концепции первоначально горячей Вселенной явился вывод, что в наследство от этой эпохи, если только она действительно имела место, должно повсеместно сохраниться во Вселенной остаточное, или, как его называют, реликтовое, излучение в радиодиапазоне.

Канадский астрофизик Э. Мак-Келлар в 1941 году столкнулся с необычным явлением — возбужденным состоянием молекул межзвездного циана. Температура возбуждения составляла 2,3 К. Подобный факт мог стать основанием для вывода о наличии в мировом пространстве соответствующего излучения-возбудителя. Однако, похоже, авторы теории Большого Взрыва ничего не знали об этом открытии. Лишь много позднее то, что такое состояние молекул циана вызвано именно реликтовым излучением, доказали советский астрофизик И.С. Шкловский и независимо ряд других авторов.

Расчеты А.Г. Дорошкевича и И.Д. Новикова в 1964 году показали, что реликтовое излучение в принципе регистрируемо, и, следовательно, вывод теории Большого Взрыва возможно проверить с помощью наблюдений. Гораздо позднее задним числом выяснилось, что ко времени указанного расчета реликтовое излучение уже было открыто в СССР и в Японии. В СССР это открытие было опубликовано аспирантом Пулковской обсерватории Т.А. Шмаоновым в 1957 году.

«Но беда заключалась в том, — пишет Гурнштейн, — что наблюдатели и теоретики работали в отрыве друг от друга. Между ними не было обмена информацией. Наблюдатель не знал, как правильно истолковать свои странные результаты. Замечательная же статья теоретиков осталась незамеченной.

К середине шестидесятых годов радиоастрономы-экспериментаторы вознамерились построить специальную аппаратуру для обнаружения реликтового излучения Но их опередили инженеры, выполнявшие исследования по борьбе с радиошумами при связи с искусственными спутниками Земли». 

В 1965 году радиоинженеры А. Пензиас и Р. Вильсон (США) при испытании рупорной антенны для наблюдения американского спутника «Эхо» случайно открыли существование микроволнового (на волне 7,35 сантиметра) космического радиошума, не зависящего от направления антенны.

На протяжении 1966—1967 годов это открытие — открытие реликтового радиоизлучения Вселенной — было независимо друг от друга подтверждено рядом исследователей в разных странах. Особенности этого явления, соответствующего общему тепловому излучению Вселенной с температурой около 2,7 К, совпали с предсказаниями теории Большого Взрыва. 

Новым этапом развития представлений о ранних стадиях эволюции Вселенной стала «теория горячей Вселенной», особенно в работах академика Я.Б. Зельдовича (1914—1987) и его школы. Представление о характере начального расширения Вселенной в наши дни сильно изменилось. Помимо главной трудности в описании такого «начала» (недоступности его для современной теоретической физики), обнаружились другие серьезные трудности при попытке описать и последующую, уже в принципе доступную современной физике, но еще очень раннюю историю расширения Вселенной как целого.[1]

С целью преодоления этих трудностей в 80-е годы была предложена концепция раздувающейся (или инфляционной) Вселенной (А. Гут, США; А Д. Линде, СССР). Обсуждается идея множественности и неоднократного возникновения в разные моменты времени самих раздувающихся вселенных. Таким образом, древнейшая идея возрождения Вселенной, идея бесконечной цепи рождений и гибели миров всех масштабов, как и концепция островных вселенных, родившаяся уже в результате соединения гравитационной теории и наблюдений, в наши дни возрождаются, но уже на несравненно более высоком уровне — как в отношении масштабов, так и качественного многообразия объектов. Эти идеи могут рассматриваться как предвестник, а может быть и начало уже третьей революции в космологической картине мира».

2. История Вселенной согласно стандартной модели

«Большого взрыва»