Теория "Большого взрыва"

Введение

 

Мегамир, или космос, современная  наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд и звездных систем - галактик.

Все существующие галактики  входят в систему самого высокого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15-20 млрд световых лет.

Понятия «Вселенная» и  «Метагалактика» - очень близкие  понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» - тот же мир, но с точки зрения его структуры -как упорядоченную систему галактик.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология как раздел естествознания находится на своеобразном стыке науки, религии и философии. В основе космологических моделей Вселенной лежат определенные мировоззренческие предпосылки, а сами эти модели имеют большое мировоззренческое значение.

Благодаря широкому распространению  системных идей, а в недавнее время  и представлений о самоорганизации  открытых систем сейчас все настойчивее  выдвигаются различные гипотезы и модели возникновения и эволюции Вселенной. Они усиленно обсуждаются в рамках современной космологии - науки о Вселенной как едином целом и всей, охваченной астрономическими наблюдениями ее области, называемой Метагалактикой.

Цель данной работы состоит в изучении происхождения Вселенной.

В соответствие с целью исследования, были поставлены следующие основные задачи:

1. выявить основные космологические проблемы и их влияние на развитие науки;
2. рассмотреть процесс эволюции Вселенной и изучить «Теорию Большого взрыва»;
3. изучить основные этапы физической истории Вселенной.

При написании реферата были использованы монографические работы, учебная литература таких авторов как Карпенков С.Х., Лавриненко Н.В., Найдыш В.М., Рузавин Г.И., Хорошавина С.Г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Основные концепции  космологии. Космологические проблемы

 

Вселенная - самая крупная материальная система. Ее происхождение интересует людей еще с древних времен. Вначале Вселенная была «безвидна и пуста», - так сказано в Библии. Вначале был вакуум - уточняют современные физики.

Тем не менее принято считать, что  основные положения современной космологии - науки о строении и эволюции Вселенной - начали формироваться после создания в 1917 г. А. Эйнштейном первой релятивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Эта модель характеризовала стационарное состояние Вселенной и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.

Важный шаг в решении  космологических проблем сделал в 1922 г. профессор Петроградского университета А.А. Фридман (1888-1925). В результате решения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии — она должна расширяться либо сужаться.

Следующий шаг был сделан в 1924 г., когда в обсерватории Маунт  Вилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) измерил расстояние до ближайших галактик (в то время называемых туманностями) и тем самым открыл мир галактик. В 1929 г. в той же обсерватории Э. Хаббл по красному смещению линий в спектре излучения галактик экспериментально подтвердил теоретический вывод А.А. Фридмана о расширении Вселенной и установил эмпирический закон - закон Хаббла: скорость удаления галактики V прямо пропорциональна расстоянию r до нее, т.е. V=Hr, где Н - постоянная Хаббла.

С течением времени постоянная Хаббла постепенно уменьшает 
ся - разбегание галактик замедляется. Но такое уменьшение за наблю 
даемый промежуток времени ничтожно мало. Обратной величиной по 
стоянной Хаббла определяется время жизни (возраст) Вселенной. Из ре 
зультатов наблюдения следует, что скорость разбегания галактик увели 
чивается примерно на 75 км/с на каждый миллион парсек (1 парсек равен 
3,3 светового года; световой год - это расстояние, проходимое светом в 
вакууме за один земной год). При данной скорости экстраполяция к про 
шлому приводит к выводу: возраст Вселенной составляет около 15 млрд. 
лет, а это означает, что вся Вселенная 15 млрд. лет назад была сосредото 
чена в очень маленькой области. Предполагается, что в то время плот 
ность вещества Вселенной была сравнима с плотностью атомного ядра и вся Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам ядерная капля оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большого взрыва.

Возникновение и развитие современной  релятивистской космологии имеет большое мировоззренческое значение. Она во многом изменила прежние представления о научной картине мира. Особенно радикальным было открытие так называемого красного смещения, свидетельствующего о расширении Вселенной. Этот факт нельзя было не учитывать при построении космологических моделей. Считать ли Вселенную бесконечной или конечной, зависит от конкретных эмпирических исследований, и прежде всего от определения плотности материи во Вселенной, что имеет решающее значение для оценки кривизны пространства-времени. Очевидно, что при нулевой или отрицательной кривизне модель должна быть открытой, при положительной - замкнутой. Однако оценка плотности распределения материи во Вселенной наталкивается на серьезные трудности, связанные с наличием так называемого скрытого (невидимого) вещества в виде темных облаков космической материи. Хотя никакого окончательного вывода о том, является ли Вселенная открытой или замкнутой, сделать пока еще нельзя, но многие научные факты свидетельствуют, по-видимому, в пользу модели открытой бесконечной Вселенной. Во всяком случае, такая модель лучше согласуется с неограниченно расширяющейся Вселенной. Замкнутая же модель предполагает конец такого расширения и допущение ее последующего сжатия. Как  уже отмечали выше, коренной недостаток такой модели состоит в том, что пока современная наука не располагает какими-либо фактами, подтверждающими подобное сжатие. К тому же сторонники замкнутой Вселенной признают, что ее эволюция началась с «большого взрыва». Наконец, остается нерешенной и проблема оценки плотности распределения материи и связанной с ней величины кривизны пространства-времени.

Важной  проблемой остается и оценка возраста Вселенной, которая определяется по длительности ее расширения. Если бы расширение Вселенной происходило с постоянной скоростью, равной в настоящее время 75 км/с, то время, истекшее с начала «большого  взрыва», составило бы 13 млрд лет. Однако есть основания считать, что ее расширение происходит с замедлением. Тогда  возраст Вселенной будет больше.

Значительные  трудности связаны также с  обоснованием первоначальной «горячей»  модели в сингулярной области, поскольку  предполагаемые плотности и температуры  в ней никогда не наблюдались  и не анализировались в современной  астрофизике. Но развитие науки продолжается, и есть основания надеяться, что  и эти труднейшие проблемы со временем будут разрешены. Главный же итог современных космологических исследований состоит в том, что они показали, что Вселенная не находится в  стационарном состоянии, а непрерывно изменяется. Именно в результате такого процесса происходит эволюция материи, ведущая к появлению все новых  и сложных структур.

 

 

 

 

 

 

 

2 Теория «Большого взрыва»

 

Поскольку релятивистская космология сформировалась на основе идей и принципов общей теории относительности, то на первом этапе она уделяла главное внимание геометрии Вселенной и, в частности, кривизне четырехмерного пространства-времени.

В зависимости от кривизны пространства-времени  различают:

- открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю, а расстояния между скоплениями галактик со временем непрерывно увеличиваются, что соответствует бесконечной Вселенной;

- замкнутую модель с положительной кривизной, в которой Вселенная оказывается конечной, но столь же неограниченной, так как, двигаясь по ней, нельзя достичь какой-либо границы.

Независимо от того, рассматриваются  ли открытые или замкнутые модели Вселенной, все ученые сходятся в том, что для объяснения расширения Вселенной необходимо допустить, что первоначально Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить на Земле. Такое расширение должно начаться с некоторой сингулярной точки, в которой должна быть сконцентрирована вся материя. Поэтому состояние материи в этой точке должно удовлетворять специфическим условиям, которые трудно обнаружить где-либо в мире.

Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в сингулярности, в которой была сосредоточена материя. Такое допущение вполне согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло начаться, когда она находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения. Такая модель «горячей» Вселенной впоследствии была названа стандартной.

Эта модель предполагает, что начальная температура внутри сингулярности превышала 10¹³ градусов (10 трлн) по абсолютной шкале Кельвина, в которой начало шкалы соответствует 273 градусам шкалы Цельсия. Плотность материи равнялась бы приблизительно 10⁹³г/см³, огромная величина, которую трудно даже вообразить.

В подобном состоянии неизбежно  должен был произойти «большой взрыв», с которым связывают начало эволюции в стандартной модели Вселенной, называемой также моделью «большого взрыва». Предполагают, что такой взрыв произошел примерно 15-20 млрд лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более медленным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной. По степени этого расширения ученые судят о состоянии материи на разных стадиях ее эволюции. Полагают, например, что после 0,01 секунды после взрыва плотность материи с невообразимо большой величины должна была упасть до 10¹⁰ г/см³. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов (протонов и нейтронов). При этом могли происходить непрерывные превращения пары электрон+позитрон в пару фотонов и обратно, пары фотонов в пару электрон+позитрон. Но уже через 3 минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: ²/з водорода и ¹/₃ гелия.

По стандартной модели, как отмечено выше, первоначально  Вселенная находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии. После  взрыва она начала быстро расширяться и постепенно охлаждаться. Эти процессы привели к разрушению прежней симметрии между материальными частицами и связывающими их силами, а также единства и простоты в природе.

Что собой представляла Вселенная до взрыва, никаких надежных данных пока не существует. Высказываются лишь некоторые предположения и гипотезы. Один из инициаторов гипотезы «большого взрыва» Г.А. Гамов считал, что вещество Вселенной вначале состояло из нейтронов, которые в дальнейшем превращались в протоны, а из них возникли сначала ядра атомов, а затем и атомы. Однако эта гипотеза оказалась теоретически несостоятельной. Поэтому в стандартной модели предполагается, что первоначально Вселенная могла состоять из электронов, позитронов и фотонов, а также нейтрино и антинейтрино. В настоящее время популярной становится кварковая модель в силу того, что эти гипотетические частицы считаются теперь основой для построения существующих элементарных частиц. Но такая модель, как указывалось выше, вызывает возражения многих специалистов прежде всего потому, что сами кварки являются лишь гипотетическими частицами и экспериментально непосредственно не обнаружены.

Относительно более  надежными являются представления  об эволюции Вселенной после взрыва и начавшегося ее расширения. Предполагают, что в первую сотую долю секунды после взрыва материя составляла своеобразную смесь вещества, состоящую из электронов и позитронов, и излучения, или фотонов, которые непрерывно взаимодействовали между собой. Электроны и позитроны превращались в фотоны, а последние в результате взаимодействия образовывали пару электрон и позитрон.

Подобное превращение  вещества в излучение и обратно  продолжалось до тех пор, пока существовало термодинамическое равновесие между ними. Вследствие этого существовала также и симметрия между веществом и излучением, с одной стороны, и веществом и антивеществом — с другой.

Как возникло впоследствии отделение антивещества от вещества и разрушение симметрии между веществом и излучением, остается только догадываться. Поэтому здесь можно прибегнуть лишь к исторической реконструкции. Поскольку доказано, что частицы вещества и антивещества при взаимодействии «аннигилируют», а точнее, превращаются в излучение, постольку предполагают, что в далеком прошлом наш вещественный мир каким-то образом оказался изолированным от антивещественного, ибо в противном случае все превратилось бы в излучение.

С падением температуры  и дальнейшим расширением Вселенной  возникли условия сначала для  образования ядер легких атомов - водорода и гелия, а затем и соответствующих нейтральных атомов за счет захвата ядрами электронов. В общих чертах процесс космической эволюции и формирование Вселенной, по мнению нобелевского лауреата С. Вайнберга, можно представить в виде следующей последовательности кадров кинофильма.

Первый кадр. Начиная с ¹/₁₀₀ секунды после взрыва, когда температура стала равной 100 млрд градусов по Кельвину (в дальнейшем температура будет указываться по этой шкале), Вселенная была «заполнена везде одинаковым, однородным по свойствам супом из вещества и излучения, причем каждая частица в нем очень быстро сталкивается с другими частицами».

Такими частицами были электрон и позитрон, а также фотон, нейтрино и антинейтрино. Кроме того, там существовало небольшое число ядерных частиц, около одного протона или нейтрона на каждый миллиард фотонов.

Второй кадр. Температура Вселенной упала до 30 млрд градусов, но качественно ее состав не изменился. Вселенная по-прежнему состоит из электронов, позитронов, фотонов, нейтрино и антинейтрино, которые находятся в тепловом равновесии. Небольшое число ядерных частиц все еще не объединяются в атомные ядра.

Третий кадр. Со времени первого кадра прошло чуть больше секунды, и температура Вселенной упала до 10 млрд градусов. К этому времени уменьшение плотности и температуры настолько увеличили среднее свободное время существования нейтрино и антинейтрино, что они начинают вести себя как свободные частицы и перестают находиться в тепловом равновесии с другими частицами. Однако существующая температура все еще не позволяет протонам и нейтронам объединиться в атомные ядра.