Эволюция Вселенной. Теория Большого взрыва

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

Глазовский  инженерно-экономический институт (филиал)

государственного  образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ 

по  учебной дисциплине «Концепции современного естествознания»

на  тему « Эволюция Вселенной. Теория Большого взрыва» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила студентка

1 курса, гр. 1231у                                                                                    М.А.Веретенникова

(подпись) 

Проверил                                                                                                 А.Б. Федоров

(оценка, подпись) 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глазов 2009 

Содержание

    Введение…………………………………………………………………………………3

    Эволюция  Вселенной………………………………………………………………...…5

    Теория  Большого взрыва……………………………………………………………….7

        История Вселенной согласно стандартной  модели Большого взрыва………………8

        Реликтовое излучение………………………………………………………………….13

Какая судьба ожидает вечно расширяющуюся  Вселенную?.......................................17

        Заключение……………………………………………………………………………...19

    Список  используемой литературы …………………………………………………....21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

      Область астрономии, которая изучает и  моделирует Вселенную как целое, называется космологией. Именно космологи определяют и объясняют, что представляет собой Вселенная, изменяется ли она со временем и если да, то каковы были ее свойства в прошлом.

     Картина ночного неба представляется наблюдателю  некоторым эталоном стабильности по сравнению с окружающими его процессами на Земле и в обществе: на протяжении всей жизни человека видимые звезды сохраняют неизменными свои положения и яркости, сохраняется привычный рисунок созвездий, и это единообразие нарушается лишь заметным движением небольшого числа объектов типа планет или комет, относящихся к нашей Солнечной системе.

     Но  это первое впечатление неизменности окружающей нас Вселенной в действительности обманчиво: она эволюционирует, и  эта эволюция, сравнительно медленная  сейчас, на ранних этапах была невообразимо быстрой, так что серьезные качественные изменения состояния Вселенной происходили за доли секунды. По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла около 15 миллиардов лет назад из некоторого начального "сингулярного" состояния с бесконечно большими температурой и плотностью и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно этой теории Большого Взрыва, дальнейшая эволюция зависит от измеримого экспериментального параметра р – средней плотности вещества в современной Вселенной. Если  р меньше некоторого (известного из теории) критического значения  р_с , Вселенная будет расширяться вечно; если же  р больше  р_с , то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнется обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины  р еще недостаточно надежны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.

     Есть  ряд вопросов, на которые теория Большого Взрыва ответить пока не может, однако основные ее положения обоснованы надежными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа – порядка сотой доли секунды от "начала  мира". Для теории важно, что эта неопределенность на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.

     Закончив  на этом общее введение, переходим  к более подробному изложению  теории Большого Взрыва и порождаемых  ею проблем.

     Основными экспериментальными основаниями данной теории являются следующие три:

• Наблюдаемое "разбегание" далеких галактик, подчиняющее закону Хаббла υ=RH.
• Открытие в 1964 году Р.Пензиасом и А.Вильсоном космического фона "реликтового излучения", по интенсивности и спектральному составу эквивалентного излучению черного тела с температурой около 3К.
• Наблюдаемый химический состав Вселенной, состоящей приблизительно из 3/4 (по массе) водорода и 1/4 гелия с небольшой (порядка одного процента) примесью прочих элементов.

     Прежде  всего поясним подробнее перечисленные  выше основные экспериментальные свидетельства в пользу теории Большого Взрыва. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Эволюция  Вселенной

      Изменяется  ли наш мир? В 1916 году немецкий ученый Альберт Эйнштейн (1879-1955) разработал теорию относительности, которую сразу  же начал применять для создания космологической модели Вселенной. Со временем Аристотеля считалось, что наша Вселенная стационарна, т.е. с течением времени она не только не меняется в общих чертах, но в ней не происходит каких-либо крупномасштабных движений. Вселенная - согласно теории относительности – отнюдь не стационарна. Она либо расширяется, либо сжимается! Эйнштейн, однако, не решился опровергнуть устоявшееся мнение, поскольку не был до конца уверен в безошибочности своих выводов.

    В варианте Эйнштейна Вселенная получилась конечной и замкнутой – нечто аналогичное поверхности шара. Ее пространство искривлено, и луч света, идущий в одном направлении, через определенный промежуток времени должен вернуться в исходную точку, но с противоположной стороны. Одним из тех, кто иначе взглянул на подобную неизменную модель Мироздания, стал российский метеоролог, математик по образованию, Александр Фридман (1888-1925). Он доказал, что первоначальное решение Эйнштейна не было ошибочным: действительно, Вселенная должна изменяться.

    Впрочем, все эти рассуждения о якобы расширяющейся Вселенной воспринимались поначалу скептически. Астрономы не соглашались считать подобные теории описанием реального мира до тех пор, пока они не будут подтверждены наблюдениями.

    Честь стать первооткрывателем в этой области принадлежит американскому астроному Эдвину Хабблу (1889-1953). На основе многочисленных наблюдений он в 1929 г. установил, что вселенная в целом расширяется – галактики и их скопления удаляются друг от друга и от нашей Галактики с огромной скоростью. Причем «разбегание» становится тем быстрее, чем больше оказывается расстояние между звездными «материками». С течением времени размеры Вселенной непрерывно возрастают. Ученые произвели необходимые расчеты и определили, что возраст Вселенной приблизительно равен 15 млрд. лет.

    Открытие  Хаббли положило начало новым представлениям о Вселенной – ее глобальная эволюция была доказана теоретически и практически. 

Так можно проиллюстрировать расширение Вселенной. Галактики удаляются  друг от друга в космическом пространстве аналогично меткам на надувном шарике. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Теория  Большого взрыва

    Величайшим  достижением современной космологии стала модель расширяющейся Вселенной, названная теорией Большого взрыва.

    Все вещество в Космосе в какой-то начальный момент было сдавлено буквально ни в что – спрессовано в одну-единственную точку. Оно имело фантастически огромную плотность – ее практически невозможно себе представить, она выражается числом, в котором после единицы стоят 96 нулей, - и столь же невообразимо высокую температуру. Астрономы назвали такое состояние сингулярностью.

    В силу каких-то причин это удивительное равновесие было внезапно разрушено  действием гравитационных сил –  трудно даже вообразить, какими они  должны были быть при бесконечно огромной плотности «первовещество»! Этому моменту ученые дали название «Большой взрыв». Вселенная начала расширяться и остывать.

    Следует отметить, что вопрос о том, каким  же было рождение Вселенной – «горячим»  или «холодным», - не сразу был  решен однозначно и занимал умы астрономов долгое время. Интерес к проблеме был далеко не праздным – ведь от физического состояния вещества в начальный момент зависит, например, возраст Вселенной.

    Кроме того, при высоких температурах могут  протекать термоядерные реакции. Следовательно, химический состав «горячей» Вселенной должен отличаться от состава «холодной». А от этого в свою очередь зависят размеры и темпы развития небесных тел. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

История Вселенной согласно стандартной  модели

Большого  взрыва

      В нулевой момент времени Вселенная возникла из сингулярности. В течение первой миллионной доли секунды, когда температура значительно превышала 10¹²К, а плотность была немыслимо велика, должны были неимоверно быстро сменять друг друга экзотические взаимодействия, недоступные пониманию в рамках современной физики. Мы можем лишь размышлять над тем, каковы были те первые мгновения; например, возможно, что четыре фундаментальные силы природы были вначале слиты воедино. Однако есть основания полагать, что к концу первой миллионной доли секунды уже существовал первичный «бульон» богатых энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества. Эта самовзаимодействующая масса находилась в состоянии так называемого теплового равновесия.

     В те первые мгновения все имевшиеся частицы должны были непрерывно возникать и аннигилировать. Любая материальная частица имеет некоторую массу, и поэтому для ее образования требуется наличие определенной «пороговой» энергии»; пока плотность энергии фотонов оставалась достав точно высокой, могли возникать любые частицы. Мы знаем также, что, когда частицы рождаются из гамма-излучения (фотонов высокой энергии), они рождаются парами, состоящими из частицы и античастицы, например электрона и позитрона. В условии сверхплотного состояния материи, характерного для раннего этапа жизни Вселенной, частицы и античастицы должны были тотчас же после своего рождения снова сталкиваться, превращаясь в гамма-излучение. Это взаимное превращение частиц в излучение и обратно продолжалось до тех пор, пока плотность энергии фотонов превышала значение пороговой энергии образования частиц.

     Когда возраст Вселенной достиг одной  сотой доли секунды, ее температура упала примерно до 10¹¹К, став ниже порогового значения, при котором могут рождаться протоны и нейтроны, но некоторые из этих частиц все-таки избежали взаимной аннигиляции со своими античастицами - иначе в современной нам Вселенной не было бы вещества! Через 1с после Большого взрыва температура понизилась примерно до 10¹⁰К, и нейтрино, по существу, перестали взаимодействовать с веществом: Вселенная стала практически прозрачной для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова, но примерно через 10с уровень плотности энергии излучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение в катастрофическом процессе взаимной аннигиляции, оставив после себя лишь незначительное количество электронов, достаточное, однако, для того, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.

     Судя  по всему, должна была существовать некоторая  диспропорция между частицами (протонами, нейтронами, электронами и т. д.) и  античастицами (антипротонами, антинейтронами, позитронами и т. д.), так как все частицы (а не только все античастицы) исчезли бы в процессе аннигиляции. В окружающей нас части Вселенной вещества несравнимо больше, чем антивещества, которое лишь изредка встречается в виде отдельных античастиц. Не исключено, конечно, что на ранней стадии эволюции Вселенной в ней были области, где доминировало вещество, и области с преобладанием антивещества - в этом случае возможно существование звезд и целых галактик, состоящих из антивещества; на больших расстояниях они были бы неотличимы от привычных нам звезд и галактик из вещества. Однако у нас нет никаких свидетельств в пользу этого предположения, поэтому более разумным кажется считать, что с самого начала возник небольшой, но заметный дисбаланс частиц и античастиц. В настоящее время разрабатывается ряд теорий, в которых такой дисбаланс находит вполне естественное объяснение.

     Через 3 мин после Большого взрыва температура  Вселенной понизилась до 10⁹К и возникли подходящие условия для образования атомов гелия: на это были затрачены практически все имевшиеся в наличии нейтроны. Спустя примерно еще минуту почти все вещество Вселенной состояло из ядер водорода и гелия, находившихся примерно в той же количественной пропорции, какую мы наблюдаем сегодня. Начиная с этого момента, расширение первичного огненного шара происходило без существенных изменений до тех пор, пока через 700000 лет электроны и протоны не соединились в нейтральные атомы водорода, тогда Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения - возникло то, что сейчас наблюдают как реликтовое фоновое излучение.

     После того как вещество стало прозрачным для электромагнитного излучения, в действие вступило тяготение: оно начало преобладать над всеми другими взаимодействиями между массами практически нейтрального вещества, составлявшего основную часть материи Вселенной. Тяготение создало галактики, скопления, звезды и планеты - все эти объекты образовались из первичного вещества, которое, в свою очередь, выделилось из быстро остывавшего и терявшего плотность первичного огненного шара; тяготению же предстоит определить путь эволюции и исход жизни всей Вселенной в целом. Тем не менее, многие вопросы, касающиеся эпохи, последовавшей за эпохой отделения излучения от вещества, остаются пока без ответа; в частности, остается нерешенным вопрос формирования галактик и звезд. Образовались ли галактики раньше первого поколения звезд или наоборот? Почему вещество сосредоточилось в дискретных образованиях - звездах, галактиках, скоплениях и сверхскоплениях, - когда Вселенная как целое разлеталась в разные стороны?

     Есть  два основных взгляда на проблему формирования галактик. Первый состоит  в том, что в любой момент времени  в расширяющейся смеси вещества и излучения могли существовать случайно распределенные области с плотностью выше средней. В результате действия сил тяготения эти области сначала отделились в виде очень протяженных сгустков вещества, в которых затем начался процесс фрагментации, приведший к образованию облаков меньших размеров, которые позднее превратились в скопления и отдельные галактики, наблюдаемые сегодня. Далее в этих меньших - галактических размеров - сгустках опять-таки под действием притяжения в случайных неоднородностях плотности началось формирование звезд. Существует и другая точка зрения на ход развития событий: вначале из флуктуаций плотности в расширяющемся первичном шаре сформировались многочисленные (малые) галактики, которые с течением времени объединились в скопления, в сверхскопления и, возможно, даже в более крупные иерархические структуры.

     Главным пунктом в этом споре является вопрос, имел ли процесс Большого взрыва вихревой, турбулентный, характер или  протекал более гладко. Турбулентности в крупномасштабной структуре сегодняшней Вселенной отсутствуют. Вселенная выглядит удивительно сглаженной в крупных масштабах; несмотря на некоторые отклонения, в целом далекие галактики и скопления распределены по всему небу в высшей степени равномерно, а степень изотропности фонового излучения также довольно высока (выше, чем 1:3000). Все эти факты, видимо, говорят о том, что Большой взрыв был безвихревым, упорядоченным процессом расширения. Но откуда же в таком случае возникли флуктуации плотности, ставшие позднее галактиками? Решение этого вопроса затрудняется тем, что мы не располагаем наблюдательными данными, относящимися к критическому моменту образования звездных систем.

     Согласно  общепринятой точке зрения, микроволновое  фоновое излучение дает нам информацию о той эпохе, когда возраст Вселенной насчитывал примерно 700 000 лет, чему соответствует красное смещение около 1000. Самый далекий от нас квазар имеет смещение 3,6, т.е. наблюдаемый свет этого квазара был испущен им, когда возраст Вселенной составлял чуть меньше 2 млрд. лет. В промежутке времени от 700 000 до 2 млрд. лет во Вселенной должно было произойти многое, в том числе сформировались галактики. Тем не менее, последние данные, скорее всего, свидетельствует в пользу второй из двух упомянутых выше гипотез, согласно которой образование галактик предшествовало формированию скоплений и сверхскоплений.

     Успешное  объяснение ряда явлений с помощью  модели Большого взрыва привело к  тому, что, как правило, не вызывает сомнения реальность происхождения микроволнового фонового излучения из расширяющегося первичного огненного шара в тот момент, когда вещество Вселенной стало прозрачным. Возможно, однако, что это слишком простое объяснение. В 1978 г., пытаясь найти обоснование для наблюдаемого соотношения фотонов и барионов (барионы - «тяжелые» элементарные частицы, к которым, в частности, относятся протоны и нейтроны) - 10⁸:1, - М.Рис высказал предположение, что фоновое излучение может быть результатом «эпидемии» образования массивных звезд, начавшейся сразу после отделения излучения от вещества и до того, как возраст Вселенной достиг 1 млрд. лет. Продолжительность жизни этих звезд не могла превышать 10 млн. лет; многим из них было суждено пройти стадию сверхновых и выбросить в пространство тяжелые химические элементы, которые частично собрались в крупицы твердого вещества, образовав облака межзвездной пыли. Эта пыль, нагретая излучением догалактических звезд, могла, в свою очередь, испускать инфракрасное излучение, которое в силу его красного смещения, вызванного расширением Вселенной, наблюдается сейчас как микроволновое фоновое излучение.

     Эта точка зрения не получила широкого признания, однако интересно отметить, что в 1979 г. Д.П.Вуди и П.Л.Ричарде  из Калифорнийского университета опубликовали результаты наблюдений, как будто указывающие на некоторые отклонения характеристик микроволнового фонового излучения от кривой излучения абсолютно черного тела: кривая фонового излучения выглядит «острее», чем ей следовало бы быть. Позднее в том же году М.Роуэн-Робинсон, Дж.Негропонте и Дж.Силк (Колледж королевы Марии, Лондон) указали, что «горб» на кривой микроволнового излучения, обнаруженный Вуди и Ричардсом, может быть объяснен излучением пылевых облаков, образовавшихся вслед за «эпидемией» массового формирования звезд, что соответствует гипотезе М. Риса. Пока рано говорить, выдержит ли эта новая идея последующий анализ, но если она соответствует истине, то это означает, что подавляющее количество всей массы Вселенной содержится в невидимых остатках звезд первичного, догалактического, поколения ив настоящее время может находиться в массивных темных гало, окружающих яркие галактики, которые мы наблюдаем сегодня. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реликтовое  излучение.

    Современная астрономия на вопрос о том, существует ли доказательства гипотезы горячей Вселенной и Большого взрыва, может дать утвердительный ответ. В 1965 г. было сделано открытие, которое, как считают ученые, прямо подтверждает то, что в прошлом вещество Вселенной было очень плотным и горячим. Оказалось, что в космическом пространстве встречаются электромагнитные волны, которые родились в ту далекую эпоху, когда не было еще звезд, ни галактик, ни нашей Солнечной системы.

    Возможность существования такого излучения  была предсказана астрономами гораздо  раньше. В середине 1940-х гг. американский физик Джордж Гамов (1904-1968) занялся проблемами возникновения Вселенной и происхождения химических элементов. Расчеты, выполненные Гаммовым и его учениками, позволили представить, что во Вселенной в первые секунды ее существования была очень высокая температура. Нагретое вещество «светилось» - испускало электромагнитные волны. Гамов предположил, что они должны наблюдаться и в современную эпоху в виде слабеньких радиоволн, и даже предсказал температуру этого излучения – примерно 5-6 К.

    В 1965 г. американские ученые-радиоинженеры  Арно Пензиас и Роберт Уилсон зарегистрировали космическое излучение, которое  нельзя было приписать никакому известному тогда космическому источнику. Астрономы  пришли к выводу, что это излучение, имеющее температуру около 3 К, - реликт (от лат. «остаток», отсюда и название излучения – «реликтовое») тех далеких времен, когда Вселенная была фантастически горяча.

    Распределение реликтового излучения по небесной сфере.

     Это важнейшее космологическое открытие нашего века, которое было сделано случайно. В 1964 году астрономы Р.Пензиас и А.Вильсон решили измерить фоновое радиоизлучение нашей Галактики в направлениях вне ее плоскости эклиптики. Для этого они решили воспользоваться построенной для связи со спутниками рупорной антенной лаборатории фирмы Белл-Телефон, сконструированной так, чтобы обеспечить сверхнизкий уровень собственных шумов. Последнее очень важно, так как ожидаемое фоновое радиоизлучение галактики также подобно радиошуму, который следовало выделить на фоне других шумов от атмосферы, самой антенны и ее усилительных цепей.

     После тщательного анализа и оценки всех этих "паразитных" шумов Пензиас  и Вильсон начали измерения на сравнительно коротких волнах с длиной 7,35 см (микроволновый диапазон), для которых радиошум галактики должен практически отсутствовать. Они ожидали, что весь сигнал будет тогда простой суммой уже известных "паразитных шумов". Но оказалось, что кроме них система регистрирует некоторый слабый дополнительный радиошум, интенсивность которого не зависит ни от направления антенны, ни от времени суток.

     Пензиас и Вильсон не понимали природы  этого дополнительного радиошума  и даже разобрали, почистили и  вновь собрали всю антенну, чтобы  исключить добавочные помехи от возможных  загрязнений. Но это практически не изменило результат, и им пришлось констатировать, что по непонятным (для них) причинам их антенна принимает дополнительный слабый радиошум внеземного происхождения, интенсивность которого постоянна во времени и не зависит от направления. Измеренная ими на длине волны 7,35 см интенсивность этого радиосигнала оказалась равной интенсивности излучения на данной длине волны абсолютно черного тела с температурой около трех кельвинов. Пензиас и Вильсон наткнулись на этот факт случайно и некоторое время даже не решались опубликовать свои результаты, поскольку не понимали природы обнаруженного ими радиошума (в 1978 году они получили за свое открытие Нобелевскую премию). Но уже в конце сороковых годов появились первые работы физиков-теоретиков, в которых предсказывалось, что в настоящий момент вся Вселенная должна быть заполнена равновесным электромагнитным излучением с  эффективной температурой в несколько градусов Кельвина.

     Распределение по энергиям такого равновесного излучения (оно же излучение абсолютно черного тела) описывается известной формулой Планка в которой dρ

       —энергия в единице объема, приходящаяся  на интервал длин волн от  λ до + d λ, Т—температура в кельвинах К, h=6,65*10^-27эрг с

       —постоянная Планка, к=1,38*10^-16 эрг/К

       —постоянная Больцмана,

       с

      =3*10¹⁰см/с

       —скорость света. 

     Согласно  утверждениям теоретиков, на ранней стадии Вселенная была заполнена равновесным  излучением с очень высокой температурой. В процессе расширения Вселенной  это излучение охлаждалось, оставаясь  равновесным, и к настоящему времени температура опустилась до значений несколько градусов Кельвина. Именно это "реликтовое излучение", оставшееся от начальной фазы горячей ранней Вселенной, обнаружили Пензиас и Вильсон. Они узнали об этом, вступив в контакт с физиками из принстонского университета, которые были знакомы с теорией горячей (на ранней стадии) Вселенной и уже строили специальную антенну для обнаружения реликтового излучения. Но Пензиас и Вильсон их опередили.

     Наличие реликтового излучения считается  в настоящий момент достоверно установленным фактом. Основной проверкой является возможность его изменения на разных длинах волн λ: интенсивность сигнала должна быть пропорциональной известной величине dρ/ d λ с одной и той же для всех λ температурой Т. В настоящее время измерения выполнены для десятков различных длин волн как в микроволновой, так и в инфракрасной области спектра электромагнитных волн (согласно распределению максимум интенсивности при Т=3К соответствует λ=0,1 см, более короткие волны относятся уже к инфракрасной области). По последним данным, полученным с помощью установленной  на спутниках  аппаратуры, современное значение температуры реликтового излучения есть 2,74К. Точность этих измерений уже настолько высока, что она позволила обнаружить наличие слабой анизотропии реликтового излучения, объясняющейся движением земного наблюдателя через заполненное излучением пространство. Вследствие того же эффекта Доплера излучение прямо по направлению движения должно казаться немного более горячим, а в обратном направлении – более холодным. Эти небольшие (порядка 10^-3 от основной величины) вариации температуры были обнаружены экспериментально, и они имеют характерную угловую зависимость. По этим данным можно вычислить скорость движения Земли относительно этого "нового эфира", образованного фоном реликтового излучения. В итоге получается значение порядка 600 км/с. Помимо этой "кажущейся" анизотропии, в экспериментах обнаружена и настоящая (не связанная с движением Земли) анизотропия реликтового излучения. Она очень мала (порядка 10^-5 от основной величины), поэтому с высокой степенью точности реликтовое излучение можно считать однородным и изотропным. Но сам факт наличия хотя бы очень слабой анизотропии принципиально важен для различных теорий, пытающих объяснить и описать математически происхождение галактик.