Модель Большого Взрыва

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ИНСТИТУТ  ИСТОРИИ И ПОЛИТИЧЕСКИХ НАУК

КАФЕДРА РАДИОФИЗИКИ 
 
 
 
 
 

                 РЕФЕРАТ

  на тему:

Модель  Большого Взрыва 
 

      Выполнила:

      студентка 1 курса 

      985 группы

      Колотыгина  И.В. 

      Проверил:

      Дубов В.П. 
 
 

Тюмень

2008

Содержание 

Введение 3-4

Глава 1. Модели происхождения Вселенной 5-6

Глава 2. Модель Большого Взрыва  7-8

Глава 3. Реликтовое излучение  9-10

Глава 4. Сценарий развития Вселенной после Большого Взрыва  11-13

Глава 5. Критика теории Большого Взрыва  14

Заключение 15

Словарь терминов  16

Список используемой литературы  17

ВВЕДЕНИЕ

  Планеты, звезды, галактики поражают нас удивительным разнообразием своих свойств, сложностью строения. Как устроена вся Вселенная в целом? Когда и как она произошла? Ее эволюция? Изучением этих вопросов занимается космология. В своей же работе я рассмотрю лишь один аспект – происхождение Вселенной, или «Большой Взрыв».

  Главное свойство Вселенной – однородность. Она предстает перед нами всюду одинаковой – «сплошной». Указывая из соображений максимальной простоты устройства на общую однородность мира, замечательный мыслитель Паскаль говорил, что мир – это круг, центр которого везде, а окружность нигде. Так с помощью наглядного геометрического образца он утверждал однородность мира. У нее есть и еще одно важнейшее свойство. Она находится в движении, расширяется.

  Во  все времена люди предпочитали считать  Вселенную вечной и неизменной. Эта  точка зрения господствовала вплоть до 20-х годов XX века. В то время считалось, что она ограничена размерами нашей Галактики. Настоящий переворот в науке о Вселенной произвели в 1922-1924 годах работы ленинградского математика и физика А.Фридмана. Опираясь на только что созданную А.Эйнштейном общую теорию относительности, он математически доказал что мир – это не нечто застывшее и неизменное. Как единое целое он живет своей динамической жизнью, изменяется во времени, расширяясь или сжимаясь по строго определенным законам.

  Фридман открыл подвижность звездной Вселенной. Это было теоретическое предсказание, а выбор между расширением  и сжатием нужно было сделать  на основании астрономических наблюдений. Через некоторое время теория расширяющейся Вселенной была подтверждена экспериментально.

  При анализе изучения далеких галактик получили удивительный результат: у всех галактик наблюдали красное смещение. Поэтому можно считать, что они удаляются от нас. Причем величина этого красного смещения и, следовательно, скорости разбегания галактик больше для более удаленных галактик (что само по себе чрезвычайно удивительно, и до сих пор причина, этого не выяснена). Американский астроном Э. Хаббл установил в 1929 г. закон: V=Hr, где V – радиальная скорость, r – расстояние до объекта, Н – постоянная Хаббла, равная ~ (3-5)10^-18 с^-1 и названная так в его честь. Этот закон экспериментально подтвердил расширение Вселенной. Из Н можно определить возраст Вселенной (t ~1/Н), который оценивается в 10-20 миллиардов лет [1].

  Расширение  происходит равномерно во все стороны, «центра» Вселенной явно выделить нельзя.

ГЛАВА 1. МОДЕЛИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

   Как-то один известный ученый (Бертран Рассел) читал публичную лекцию об астрономии. Он рассказывал, как Земля вращается вокруг Солнца, а Солнце, в свою очередь, вращается вокруг центра огромного скопления звезд, которое называют нашей Галактикой. Когда лекция подошла к концу, из последних рядов зала поднялась маленькая пожилая леди и сказала: «Все, что вы нам говорили, – чепуха. На самом деле наш мир – это плоская тарелка, которая стоит па спине гигантской черепахи». Снисходительно улыбнувшись, ученый спросил: «А на чем держится черепаха?» – «Вы очень умны, молодой человек, – ответила пожилая леди. – Черепаха – на другой черепахе, та – тоже на черепахе, и так все ниже и ниже».

   Такое представление о Вселенной как  о бесконечной башне из черепах  большинству из нас покажется  смешным, но почему мы думаем, что сами знаем лучше? Что нам известно о Вселенной?

   В историческом аспекте первыми моделями Вселенной были модели Солнечной системы, в центре которой располагалась неподвижная Земля, неподвижная сфера со звездами и подвижные 5 планет, Солнце и Луна. Затем Аристарх Самосский в III в. до н.э. предложил гелиоцентрическую систему возрожденную польским священником Н. Коперником в 1514 г. Сюда же можно отнести и античную систему Птолемея, согласно которой за последней сферой располагались ад и рай. «Модернизацией» этой модели занимались немецкий астроном И. Кеплер  и Г. Галилей. Все это продолжалось до появления законов Ньютона в небесной механике в XVIII в. Уже в это время возникли представления о бесконечной Вселенной. В ХIХ в. они развились в представления о бесконечной в пространстве, но неизменной во времени Вселенной. Это была стационарная космологическая модель, которая, по сути, близка статической Вселенной Эйнштейна.

   Предполагалось  что пространство – абсолютно, однородно и изотропно, а время – абсолютно и однородно. Это устраивало теологический подход к пониманию мира: система мира без начала и конца, как в пространственном, так и во временном понимании. Бог создал – и все! Получалось, что мир в целом не эволюционирует. Пространство и время представлялись как жесткий каркас  и не участвовали в процессах, т.е. рассматривались как параметры. Как мы уже знаем, в СТО и ОТО Эйнштейн предположил, что пространство и время не абсолютны, а относительны и связаны между собой, причем скорость передачи взаимодействия конечна на и равна скорости света. Пространство и время приобретают динамические свойства [1].

   В настоящее время существует много космологических концепций, и нельзя, естественно, сказать, что уже установлена истина в последней инстанции, учитывая еще указанную сложность астрофизических и космологических экспериментов.

ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА

   Однако  одна из уже современных таких теорий – теория Большого Взрыва (Вig Ваng) смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией.

   В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15 – 20 миллиардов лет назад, когда все вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 10²⁵ г/см³ и температурой свыше 10¹⁶ К. Такое представление соответствует модели «горячей Вселенной». Модель Большого Взрыва была предложена в 1948 году нашим соотечественником Георгием Антоновичем Гамовым.

   Достоверно неизвестно, как этот сгусток образовался. Из чего? И откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии? Тем не менее огромное радиационное давление внутри этого сгустка привело к необычайно быстрому его расширению – Большому Взрыву. Составные части этого сгустка теперь образуют далекие Галактики, очень быстро удаляющиеся от нас. Мы наблюдаем их сейчас такими, какими они были примерно 10-14 млрд. лет назад. Таким образом, расширение Вселенной оказывается естественным следствием теории Большого Взрыва.

   Г. А. Гамов также предположил, что  все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после Большого Взрыва. Дальнейшие уточнения этой теории показали, что ядерные реакции действительно имели место, но привели только к образованию гелия. Современные методы анализа излучения звезд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода (~60%) и гелия (~20%). Лишь малая часть водорода и гелия содержится в звездах, остальное количество распределено в межзвездном пространстве. В звездах, где температура исключительно велика, атомы полностью ионизированы и составляют высокотемпературную плазму. В межзвездном пространстве водород и гелий находятся в основном в атомарном состоянии. Таким образом, теория Большого Взрыва согласуется с наблюдаемой распространенностью гелия во Вселенной. По современным представлениям около 98% существующего в природе гелия образовалось именно в первые секунды после Большого Взрыва [1].

   Предполагается, что эти межзвездные атомы  водорода и гелия служат сырьем для  образования новых звезд. Распределение газа в межзвездном пространстве неоднородно. Средняя концентрация вещества в нашей Галактике ~1 атом/см³, однако, имеются сильные флуктуации. Эти флуктуации плотности объясняются хаотическим движением атомов в пространстве. Случайно плотность вещества в определенной области может существенно превысить среднюю. При этом предполагается, если количество вещества превысит в какой-либо области критическое значение, порядка 1000 солнечных масс, то в этой области возникают достаточно сильные гравитационные поля, способные противостоять разлету газового облака и стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров. Тогда возникает гипотеза: образование из межзвездной пыли сгустка, гигантское уплотнение и взрыв.

ГЛАВА 3. РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

   Наиболее  важным подтверждением теории Большого Взрыва является обнаружение реликтового излучения, связанное с существованием первоначального сверхплотного сгустка вещества и излучения. Название «реликтовое излучение» ввел отечественный астрофизик И.С. Шкловский. Первоначально оно обладало огромной энергией, но расширение и охлаждение сгустка привели к тому, что излучение так «остыло» и энергия квантов уменьшилась, т.е. возросла длина их волны. Это фоновое излучёние и сейчас существует во Вселенной, но теперь уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения. Температуру реликтового излучения рассчитал Г. А. Гамов. Она составляет согласно современным данным 2,74 К.

   Сразу после рождения Вселенная продолжала расти и охлаждаться. Электромагнитное излучение после Большого Взрыва тоже изменяется – увеличивалась средняя длина волны излучения, и температура реликтового излучения уменьшалась.

   По  мере расширения изменяется и состав материи, наполняющей наш мир. Кварки объединяются в протоны и нейтроны, появляются античастицы. Однако частиц немного больше, чем античастиц. Именно благодаря этой небольшой разнице и существует наш мир. А реликтовое излучение — это как раз последствие аннигиляции частиц и античастиц.

   Так как расширение продолжается ~14 – 20×10¹⁰ лет, то согласно теории огромная начальная температура уменьшилась к настоящему времени до средней температуры Вселенной – порядка 3 К. Максимум в распределении длин волн, соответствующий излучению источника с такой температурой в 3 К, приходиться на длину волны 0,1 см. Это означает, что если теория Большого Взрыва верна, то должны экспериментально наблюдаться два эффекта: спектр излучения Вселенной должен соответствовать равновесному излучению при 3 К, и это излучение должно приходить с равной интенсивностью с любого направления в пространстве, т.е. быть изотропным.

   Начиная с 1965 г. были проведены многочисленные измерения, обнаружившие космические радиоволны с малой энергией, которые можно интерпретировать как равновесное излучение остывшего, но все еще расширяющегося сгустка, причем с длиной волны, соответствующей Т=3К. Это открытие произошло случайно. Его сделали американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон, которые ничего не слышали о предсказании теории Г.А. Гамова, цель их работы не была связана с космологией. А. Пензиас Р. Вильсон использовали для излучения радиационных характеристик космологического пространства так называемую рожковую антенну, первоначально сконструированную для системы связи через американский спутник «Эхо». Эта специальная антенна принимала радиосигналы только из небольшого участка неба, на который она направлена. Они обнаружили, что независимо от направления антенны в принимаемом сигнале присутствовала существённая по величине энергия, соответствующая микроволновому участку спектра и температуре около 3,5 К. Все выглядело так, как если бы вся Вселенная была пронизана этим микроволновым фоном [1]. Тем не менее, значение их наблюдений стало общепризнанным и они в 1968 г. получили Нобелевскую премию. Это было самое крупное наблюдательное открытие космологии со времени обнаружения Хабблом в 1929 г. явления разбегания галактик. Таким образом, были получены некоторые экспериментальные доказательства справедливости теории Большого Взрыва.

ГЛАВА 4. СЦЕНАРИЙ РАЗВИТИЯ ВСЕЛЕННОЙ ПОСЛЕ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА

  Сразу после Большого Взрыва вселенная  представляла собой сингулярность  – область с очень высокой плотностью энергии из элементарных квантов электромагнитного излучения очень больших энергий со взаимными превращениями. Приблизительно через 1с Вселенная стала расширяться, а температура и плотность стали уменьшаться. Предполагают, что при таких огромных плотностях (10²⁵ г/см³ ) и температурах (10¹⁶ К) вещество состояло только из элементарных частиц – протонов и нейтронов. Частицы двигались так быстро, что при столкновениях образовывали новые частицы (частица-античастица). Чем выше температура вселенной, тем более тяжелые частицы рождались при столкновении. В этом сценарии взаимосвязь между плотностью, абсолютной температурой и временем жизни Вселенной выражается формулами:

  p = ,   T =

  где, р (гр/см³) – среднее значение плотности материи во вселенной в момент времени t (с)от начала расширения; Т – в кельвинах.

  Когда Вселенной было 10^-43 с, все фундаментальные взаимодействия в природе были объединены и имели одинаковую интенсивность. Через 10^-23 с возникли тяжелые фундаментальные частицы – кварки и антикварки. По мере уменьшения температуры и роста времени за счет аннигиляции число пар этих тяжелых частиц уменьшилось, затем они быстро исчезли. Через 10^-2 с после Большого взрыва наступает время лептонов. Затем от ~ 1 до 10 с вселенная потеряла и эти частицы, которые при аннигиляции превратились в фотоны. Но фотонам не хватало энергии, чтобы образовать электрон-позитронную пару, поэтому над веществом преобладало излучение.

  Через ~ 100 с после Большого взрыва температура вселенной упала до 10⁹ К, и скорости оставшихся протонов уменьшились настолько, что за счет ядерных сил притяжения они начали соединяться в ядра легких элементов. В основном гелия, лития, бериллия. После нескольких часов образование этих ядер закончилось. Этот период называют временем нуклиосинтеза. Далее в течении миллионов лет вселенная расширялась и охлаждалась. Когда температура стала 10⁴ К энергия электромагнитного притяжения ядра и электрона стала больше энергии фотонов, и тогда стали образовываться атомы. Фотоны перестали взаимодействовать с веществом – Вселенная стала прозрачной, началось образование звезд и галактик. С момента Большого Взрыва реликтовое излучение заполняет нашу Вселенную. За это время температура упала с 10⁴ К до 3К в наше время. Это и есть реликтовое излучение. Таким образом, реликтовое излучение несет информацию о молодой Вселенной, когда ей исполнился всего 1млн лет.

  Можно построить схему физической истории  Вселенной.

  В начальный период времени прозрачная Вселенная была однородным «бульоном» из элементарных частиц, ядер, атомов, и фотонов. Затем флуктуационно возникают области, где плотность материи несколько выше. Это приводить к увеличению гравитации в этих областях, а значит, к отставанию этих областей от общего темпа расширения Вселенной. Атомы и частицы в этих областях за счет уменьшения объема испытывали большее число столкновений, газ разогревался. Возникали термоядерные реакции. Давление внутри области возрастало, область переставала сжиматься [1].

  Изложенный  сценарий принято называть именно сценарием, а не гипотезой – несмотря на свою фантастичность он не имеет в  настоящее время конкурентоспособных  альтернатив. Он основан на использовании  некоторых общих положений современной  физики элементарных частиц и космологии. При описании деталей процессов превращений материи приходится предполагать, что при сверхвысоких температурах начального этапа существовали сверхтяжелые элементарные частицы к огромными массами. Проверить это предположение невозможно, так как в современной Вселенной невозможно создать необходимую для этого концентрацию энергии. Изложенный сценарий приводит к выводу, что расширение Вселенной будет вечным.  

ГЛАВА 5. КРИТИКА ТЕОРИИ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА

  Хотя  модель Большого Взрыва в общих чертах объясняет многие факты, некоторые ученые подвергают сомнениям ее основные положения.

  Одни  полагают, что Вселенная стационарна, то есть не эволюционирует, и не имеет  ни начала, ни конца во времени. Сторонники такой точки зрения отвергают расширение Вселенной, а красное смещение объясняют гипотезой о «старении» света – гипотеза Дирака.

  Одни  считают, что электромагнитные силы, порождаемые плазмой, играли более  существенную роль в формировании Вселенной, чем гравитация. Сторонником этой теории был шведский астрофизик Х. Альфен. Он считал, что межзвездное пространство заполнено длинными «нитями» и другими структурами, состоящими из плазмы. Силы, которые понуждают плазму образовывать такие фигуры, заставляют ее образовывать также галактики, звезды и звездные системы. Альфен считал, что Вселенная расширяется под влиянием энергии, которая выделяется при аннигиляции частиц и античастиц. Но это расширение происходит несколько медленнее [2].

  Против  закона Хаббла выступает американский астроном Х. Арп. Он называет соотношение Хаббла «единственным шатким предположением, лежащим в основе современной астрономии и космологии». Арп сообщает, что он наблюдал много объектов, которые не следуют закону Хаббла. Он считает, что красное смещение истолковано недостаточно корректно [3].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

  Сценарий  Большого Взрыва в целом оправдывает  доверие научного мира, за исключением  первых мгновений эволюции Вселенной, но не может объяснить конкретную причину Большого Взрыва, не дает ответа, почему мощность взрыва была именно такой, кокой была – не больше и не меньше. Также теория не может объяснить причину крупномасштабной однородности Вселенной, но одновременно в меньших масштабах допускает наличие в прошлом отклонений от однородности, которые и привели к возникновению галактик. При этом предполагается, что расширение происходит с большей степенью однородности и изотропности, а удаленные друг от друга неоднородности причинно между собой не связаны.

  Словарь терминов

  Большой Взрыв – гигантский взрыв, в результате которого образовалась Вселенная.

  Галактика – Млечный Путь – наша звездная система, включающая звезды. В том числе Солнце со всеми планетами.

  Изотропность – независимость свойств среды от направления, одинаковость свойств пространства по всем направлениям.

  Кварки – гипотетические элементарные частицы с дробным электрическими барионным зарядами, спином 1/2 , комбинация которых с антикварками образует адроны.

  Космология –изучение и представление о Вселенной как едином целом.

  Красное смещение – увеличение длин волн линий в спектре излучения источника по сравнению с линиями эталонных спектров возникает, когда расстояние между источником излучения и приемником увеличивается.

  Лептоны – элементарные частицы со спинов 1/2 , не участвующие в ядерных взаимодействиях. К ним относят: электроны, нейтрино, античастицы.

  Реликтовое  излучение – космическое электромагнитное излучение, связанное с эволюцией Вселенной после рождения; фоновое космическое излучение, спектр которого соответствует температуре 2,7 К.

  Сингулярность – точечный объем с бесконечно большой плотностью.

  Флуктуация – случайное отклонение системы от равновесия.

  Фотон – квант света, квант электромагнитного поля, одна из нейтральных частиц нулевой массой и спином. 

  Список  используемой литературы 

1. Горбачев  В.В. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. – М.: Оникс, 2008. – 704 с.
2. Дубнищева Т.А. Концепции современного естествознания: Учебник/ под. ред. М.Ф. Жукова. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997. – 832 с.
3. В пучинах Большого Взрыва: http//www.goldentime.ru
4. Линевивер Ч., Девис Т. Парадоксы Большого Взрыва: http//www.klein.zen.ru