Большой Взрыв и эволюция Вселенной

Рефераты по астрономии » Большой Взрыв и эволюция Вселенной

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:

Аннотация___________________________________________________________ 2

Содержание:_________________________________________________________ 3

Введение_____________________________________________________________ 4

А бал ли Большой Взрыв?_______________________________________________ 6

Реликтовое излучение________________________________________________ 7

Сценарий далекого прошлого.___________________________________________ 8

«Горячая Вселенная»_________________________________________________ 8

Большой Взрыв: самое начало___________________________________________ 8

Большой Взрыв: продолжение__________________________________________ 9

Эволюция вещества__________________________________________________ 11

а)   Адронная эра.___________________________________________________ 12

б)  Лептонная эра.___________________________________________________ 13

в)  Фотонная эра или эра излучения.___________________________________ 14

г) Звездная эра._____________________________________________________ 15

«Итоги первых шагов Маленькой Вселенной»____________________________ 17

Заключение__________________________________________________________ 18

Список литературы__________________________________________________ 21


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.

Космология[1]  - это физическое учение[2] о Вселенной как в целом включающее в себя теорию всего охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной.

Космология попыталась дать ответы[3] 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 галактик[7] 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 температура[8] 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 mo и энергией покоя moc2  ему необходимо обладать энергией 2 moc2 или большей. Эта  зависимость выражается  так :

  

Со временем энергия фотонов понижалась и как только она упала ниже произведения энергии частицы и античастицы (2moc2) фотоны уже не способны были обеспечить возникновение частиц и античастиц с массой mo. Так например фотон обладающий энергией меньшей чем 2*938 Мэв не способен материализоваться в протон и антипротон потому что энергия покоя протона равна 938 мэв.

   В предыдущем соотношении можно заменить энергию фотонов hn кинетической энергией частиц kT

                    

то есть

Знак неравенства означает следующее: частицы и соответствующие им античастицы возникали при материализации в раскаленном веществе до тех пор пока температура вещества T не упала ниже указанного значения.                          

    На начальном этапе расширения Вселенной из фотонов рождались частицы и античастицы[9]. Этот процесс постоянно ослабевал что привело к вымиранию частиц и античастиц. Поскольку аннигиляция[10] 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.

а)   Адронная эра.  

Длилась примерно от[11] t=10-6 до  t=10-4. Плотность порядка 1017 кг/м3 при T=1012…1013.

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 hn 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 1013 K 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 (10-4 с.) температура ее понизилась до 1012 K а энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв.

Страницы: 1 2