Современные представления теории Большого взрыва и теории горячей Вселенной

СОДЕРЖАНИЕ 

Аннотация...……………………………………………………………………….3

Введение …………………………………………………………………………..4

Современные представления теории Большого взрыва и теории горячей Вселенной 2

Начальное состояние  Вселенной 3

Дальнейшая  эволюция Вселенной 4

История открытия Большого взрыва 4

Критика теории Большого взрыва 7

Расширение  Вселенной 8

Заключение..……………………………………………………………………….3

Список используемой литературы 12

Аннотация

Эта работа посвящена проблеме изучения происхождения нашей Вселенной. В данной работе рассматриваются  история теории "Большого Взрыва", а также ее современное представление.  
Автор постарался собрать наиболее полную информацию по теме и рассмотреть и проанализировать все наиболее значимые аспекты современной концепции «Большого взрыва»  
В работе использованы труды российских и иностранных учёных, а так же новейшие материалы по естествознанию, астрономии и физики, полученные по сети Internet.

Введение

С тех пор  как человек осознал себя мыслящим существом, его взор был обращен  к звездам, и он пытался понять устройство окружающего мира. Как  возникла Вселенная? Как она устроена? Почему она именно такая, а не другая? Что было в начале и будет в  конце? Что в самых глубинах? Эти  вопросы человечество задает себе на протяжении многих веков.

На различных  этапах своего развития взгляды человека о мироздании изменялись. Самые ранние гипотезы мироздания принадлежат мыслителям Древней Индии, они дошли до нас  в виде мифов и легенд. Первые модели Вселенной, основанные не на мифах, а на теоретических предпосылках, были созданы в Древней Греции. Для греков Вселенная отождествлялась  с Землей в виде диска, плавающего в океане. Над Землей был сферический  хрустальный небосвод со звездами. Древнегреческий философ Платон считал звезды божественными сущностями с телом и душой. Ученик Платона - Аристотель развил собственное учение о мироустройстве. Согласно его учению Вселенная являлась сферой, в центре которой неподвижно находилась Земля, сферу приводил в движение Перводвигатель Вселенной, под которой Аристотель понимал Бога в виде разума мирового масштаба. Согласно учению Аристотеля, Вселенная вечна, она никогда  не возникала, и никогда не уничтожится. Геоцентрическая теория миропостроения Аристотеля главенствовала в умах образованных людей много веков.

Революционным шагом в вопросах мироздания было учение Николая Коперника (1473-1543), который  развил гелиоцентрическую систему. В центр своей системы Вселенной  Коперник поместил солнце. Ошибкой  Коперника было убеждение в конечности Вселенной.

Одним из активных сторонников учения Коперника был  итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548-1600), который открыл для  себя и всего мира грандиозные перспективы гелиоцентризма. Бруно создал собственную теорию - теорию бесконечной Вселенной, астроном утверждал не только безграничность Вселенной, но и разноудаленность звезд от нашей планеты, а также общность состава всех небесных тел и Земли. По приговору инквизиции Джордано Бруно был сожжен на костре за страстную пропаганду гелиоцентрической системы мира и за учение о множественности миров и бесконечности Вселенной.

Учение Коперника  продолжил выдающийся итальянский  ученый Галилео Галилей (1564-1642). Галилей  считал, что мир бесконечен и вечен, что все в природе подчинено  строгой механистической причинности. В астрономии Галилей оставил  свой след в основном тем, что ввел новые способы наблюдения за небесными  светилами. На основе открытий, сделанных  с помощью этих наблюдений, Галилей  распространил и обосновал учение Коперника о Вселенной.

Истинным  прорывом в науке стало открытие немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571-1630) трех законов, определяющих движение планет и других тел в космосе. На основе материала, почерпнутого из наблюдений датского ученого Тихо Браге (1546-1601гг.), Кеплер определил, что планеты  движутся вокруг солнца по эллиптическим  орбитам, что скорости при движении планеты по орбите изменяются и что  с удалением от Солнца уменьшается  и скорость движения планет.

Открытия  Галилея, работы Коперника и Кеплера  повлияли на видение мира многих ученых и дали толчок формированию новой  физической картины мира.

Но потребовались  еще открытия Ньютона, Канта, Эйнштейна  чтобы прийти к новому миропониманию, основанному на научной гипотезе о свойствах довселенной материи.

Первой научной  гипотезой мироздания следует считать  гипотезу Исаака Ньютона (1643-1727), согласно которой в безграничном пространстве находятся в движении материальные частицы - маленькие, твердые и неразрушимые, из которых состоит вся материя. Форма и масса частиц неизменны. То есть материя вечна и изначально пассивна. Звезды и планеты Солнечной системы являются результатом единовременного творения Вселенной. Идея ее развития не могла уложиться в его представлении.

Немецкий  ученый и философ Иммануил Кант (1724-1804гг.) пошел в своих научных изысканиях намного дальше. Ему удалось развить  в рамках ньютоновской гравитационной картины мира первую концепцию развивающейся  Вселенной. В результате кропотливой  работы им была создана новая теория - теория иерархической бесконечной  Вселенной, развивающейся естественным путем, под воздействием одних лишь только природных причин.

И уже в  ХХ веке истинным переворотом в науке  стала теория относительности Альберта Эйнштейна (1879-1955гг.), пришедшая на смену  Ньютоновской теории тяготения, начался  расцвет теоретической космологии. Наступил период, когда было предложено множество новых моделей Вселенной. И лишь немногие выдержали проверку астрономическими наблюдениями. Величайшим достижением современной космологии явилась теория "Большого Взрыва" - модель расширяющейся Вселенной.

Современные представления  теории Большого взрыва и теории горячей  Вселенной

По современным  представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,73 ± 0,12 млрд лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий, наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с температурой примерно 1032 K (Планковская температура) и плотностью около 1093 г/см³ (Планковская плотность). Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.

Приблизительно  через 10−35 секунд после наступления Планковской эпохи (Планковское время — 10−43 секунд после Большого взрыва, в это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий) фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение.

Дальнейшее  падение температуры привело  к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии).

После эры  рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь  в пространстве, дошло до нас в  виде реликтового излучения.

Начальное состояние Вселенной

Экстраполяция наблюдаемого расширения Вселенной назад во времени приводит при использовании общей теории относительности и некоторых других альтернативных теорий гравитации к бесконечной плотности и температуре в конечный момент времени в прошлом. Более того, теория не даёт никакой возможности говорить о чём-либо, что предшествовало этому моменту (потому, что наша математическая модель пространства-времени в момент Большого Взрыва теряет применимость: при этом теория вовсе не отрицает возможность существования чего-либо до Большого взрыва), а размеры Вселенной тогда равнялись нулю — она была сжата в точку. Это состояние называется космологической сингулярностью и сигнализирует о недостаточности описания Вселенной классической общей теорией относительности. Насколько близко к сингулярности можно экстраполировать известную физику, является предметом научных дебатов, но практически общепринято, что допланковскую эпоху рассматривать известными методами нельзя. Многие учёные полушутя-полусерьёзно называют космологическую сингулярность «рождением» (или «сотворением») Вселенной. Невозможность избежать сингулярности в космологических моделях общей теории относительности была доказана в числе прочих теорем о сингулярностях Р. Пенроузом и С. Хокингом в конце 1960-х годов. Её существование является одним из стимулов построения альтернативных и квантовых теорий гравитации, которые стараются разрешить эту проблему.

Дальнейшая эволюция Вселенной

Согласно  теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра — средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого (известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнётся обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины средней плотности ещё недостаточно надёжны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.

Есть  ряд вопросов, на которые теория Большого взрыва ответить пока не может, однако основные её положения обоснованы надёжными 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 неопределённость на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.

История открытия Большого взрыва

1916 — вышла в свет работа физика Альберта Эйнштейна «Основы общей теории относительности», которой он завершил создание релятивистской теории гравитации.

1917 — Эйнштейн на основе своих уравнений поля развил представление о пространстве с постоянной во времени и пространстве кривизной (модель Вселенной Эйнштейна, знаменующая зарождение космологии), ввёл космологическую постоянную Λ. (Впоследствии Эйнштейн назвал введение космологической постоянной одной из самых больших своих ошибок; уже в наше время выяснилось, что Λ-член играет важнейшую роль в эволюции Вселенной). В. де Ситтер выдвинул космологическую модель Вселенной (модель де Ситтера) в работе «Об эйнштейновской теории гравитации и её астрономических следствиях».

1922 — советский математик и геофизик Ал. Ал. Фридман нашёл нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной (нестационарная космологическая модель, известная как решение Фридмана). Если экстраполировать эту ситуацию в прошлое, то придётся заключить, что в самом начале вся материя Вселенной была сосредоточена в компактной области, из которой и начала свой разлёт. Поскольку во Вселенной очень часто происходят процессы взрывного характера, то у Фридмана возникло предположение, что и в самом начале её развития также лежит взрывной процесс — Большой взрыв.

1923 — немецкий математик Г. Вейль отметил, что если в модель де Ситтера, которая соответствовала пустой Вселенной, поместить вещество, она должна расширяться. О нестатичности Вселенной де Ситтера говорилось и в книге А. Эддингтона, опубликованной в том же году.

1924 — К. Вирц обнаружил слабую корреляцию между угловыми диаметрами и скоростями удаления галактик и предположил, что она может быть связана с космологической моделью де Ситтера, согласно которой скорость удаления отдалённых объектов должна возрастать с их расстоянием.

1925 — К. Э. Лундмарк и затем Штремберг, повторившие работу Вирца, не получили убедительных результатов, а Штремберг даже заявил, что «не существует зависимости лучевых скоростей от расстояния от Солнца». Однако было лишь ясно, что ни диаметр, ни блеск галактик не могут считаться надёжными критериями их расстояния. О расширении непустой Вселенной говорилось и в первой космологической работе бельгийского теоретика Жоржа Леметра, опубликованной в этом же году.

1927 — опубликована статья Леметра «Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей». Коэффициент пропорциональности между скоростью и расстоянием, полученный Леметром, был близок к найденному Э. Хабблом в 1929. Леметр был первым, кто чётко заявил, что объекты, населяющие расширяющуюся Вселенную, распределение и скорости движения которых и должны быть предметом космологии — это не звёзды, а гигантские звёздные системы, галактики. Леметр опирался на результаты Хаббла, с которыми он познакомился, будучи в США в 1926 г. на его докладе.

1948 — выходит работа Г. А. Гамова о «горячей вселенной», построенная на теории расширяющейся вселенной Фридмана. По Фридману, вначале был взрыв. Он произошёл одновременно и повсюду во Вселенной, заполнив пространство очень плотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались наблюдаемые тела Вселенной — Солнце, звёзды, галактики и планеты, в том числе Земля и всё что на ней. Гамов добавил к этому, что первичное вещество мира было не только очень плотным, но и очень горячим. Идея Гамова состояла в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходили ядерные реакции, и в этом ядерном котле за несколько минут были синтезированы лёгкие химические элементы. Самым эффектным результатом этой теории стало предсказание космического фона излучения. Электромагнитное излучение должно было, по законам термодинамики, существовать вместе с горячим веществом в «горячую» эпоху ранней Вселенной. Оно не исчезает при общем расширении мира и сохраняется — только сильно охлаждённым — и до сих пор. Гамов и его сотрудники смогли ориентировочно оценить, какова должна быть сегодняшняя температура этого остаточного излучения. У них получалось, что это очень низкая температура, близкая к абсолютному нулю. С учётом возможных неопределённостей, неизбежных при весьма ненадёжных астрономических данных об общих параметрах Вселенной как целого и скудных сведениях о ядерных константах, предсказанная температура должна лежать в пределах от 1 до 10 К. В 1950 году в одной научно-популярной статье (Physics Today, № 8, стр. 76) Гамов объявил, что скорее всего температура космического излучения составляет примерно 3 К.

1955 — Советский радиоастроном Тигран Шмаонов экспериментально обнаружил шумовое СВЧ излучение с температурой около 3K.[2]

1964 — американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вилсон открыли космический фон излучения и измерили его температуру: и она оказалась равной именно 3 К. Это было самое крупное открытие в космологии со времён открытия Хабблом в 1929 году общего расширения Вселенной. Теория Гамова была полностью подтверждена. В настоящее время это излучение носит название реликтового; термин ввёл советский астрофизик И. С. Шкловский.

2003 — спутник WMAP с высокой степенью точности измеряет анизотропию реликтового излучения. Вместе с данными предшествующих измерений (COBE, Космический телескоп Хаббла и др.), полученная информация подтвердила космологическую модель ΛCDM и инфляционную теорию. С высокой точностью был установлен возраст Вселенной и распределение по массам различных видов материи (барионная материя — 4 %, тёмная материя — 23 %, тёмная энергия — 73 %).

2009 — запущен спутник Планк, который в настоящее время измеряет анизотропию реликтового излучения с ещё более высокой точностью.

Критика теории Большого взрыва

Некоторые противники теории Большого взрыва считают, 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. Однако, как выяснилось, эта гипотеза противоречит наблюдениям, например, наблюдаемой зависимости продолжительности вспышек сверхновых от расстояния до них.

Существует  также точка зрения о том, что  законы Большого Взрыва действуют лишь в наблюдаемой нами части Вселенной (Метагалактике).

Кроме того, ТБВ не дает удовлетворительного  ответа на вопрос о причинах возникновения  сингулярности, или материи/энергии  для её возникновения, обычно просто постулируя её безначальность.

Расширение Вселенной

Расширение  Вселенной — явление, предсказываемое общей теорией относительности и состоящее в однородном и изотропном расширении космического пространства в масштабах всей Вселенной. Экспериментально расширение Вселенной наблюдается в виде выполнения закона Хаббла. Началом расширения Вселенной наука считает так называемый Большой взрыв.

Расширение  Вселенной - всего лишь гипотеза с  большим числом допущений. Одно из из них - расчет скорости изменения расположения объектов во Вселенной на основе наблюдений при помощи различных телескопов. Однако это не значит что наблюдаемый  закон движения можно экстраполировать на другие периоды времени.

Вселенная расширяется?! Вряд ли что-нибудь подобное приходило в голову даже самым  великим философам, астрономам, физикам  прошлого. И в те времена, когда  ученые признавали геоцентрическую  систему мира (Вселенная, в центре которой мыслили Землю), и позднее - когда утвердилась гелиоцентрическая  система Коперника (в центре этой системы находилось Солнце), считалось, что Вселенная ограничена "сферой неподвижных звезд". Датский астроном Тихо Браге (1546-1601), который прославился  исключительной точностью своих  наблюдений, многие годы был убежден, что во Вселенной ничего особенного не происходит, что она не изменяется со временем, что над Землей вечно  сияли и будут сиять звезды привычных нам созвездий. Хотя он, конечно, наблюдал такие необычные  явления на небе, как "падающие звезды" (метеоры) или кометы. А однажды  вечером - это было 11 ноября 1572 года, - возвращаясь из алхимической лаборатории, 26-летний Тихо увидел в созвездии  Кассиопеи яркую звезду, которой  там раньше не было. Современные  астрономы называют эту взорвавшуюся звезду его именем - Сверхновая Тихо. Ну а тогда появившееся в небе светило, которое было ярче Венеры и  видно даже днем, показалось Тихо Браге  чудом. "Я был настолько поражен этим зрелищем, - записал он, - что не постыдился подвергнуть сомнению то, что видели мои собственные глаза... Не было ли это величайшим из чудес, которые случались когда-либо со времен начала мира?.."

Однако  ни это столь удивительное открытие, ни многие другие, сделанные в последующие  столетия, не изменили отношения ученых ко Вселенной в целом. Величайший из физиков ХХ века Альберт Эйнштейн первоначально тоже пришел к выводу о неизменности (статичности) и замкнутости Вселенной. Он говорил, что в мире, напоминающем поверхность шара, световой луч способен совершить "круговселенское" путешествие. С присущей ему скоростью (300 000 км/с) он может отправиться в это путешествие из какой-нибудь точки, а потом, вдоволь нагулявшись среди сотен или даже тысяч миллиардов галактик, вернуться через десятки миллиардов лет к месту своего старта. Правда, Эйнштейн через некоторое время признал, что Вселенная совсем не такая...

Вспомните радугу, иногда украшающую небо. Ее цвета  плавно переходят из одного в другой: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Сама природа словно демонстрирует нам спектр света  Солнца. Капельки воды, содержащиеся в  воздухе, подобно стеклянным призмам, разлагают сложный белый цвет на простые цвета. Причем у каждого  из цветов своя длина волны: наибольшая - у красного, наименьшая - у фиолетового. Еще интереснее рассматривать спектр Солнца с помощью специального прибора - спектроскопа. Тогда видна не только радужная полоска, но и темные линии (они пересекают ее), излучаемые различными химическими элементами, из которых  состоит вещество Солнца.

Для ученых исследование спектра Солнца, звезд  и других небесных тел - источник важнейшей  информации о небесных телах и  вообще о Вселенной. Ведь с помощью  спектров узнают не только, из чего состоят  те или иные небесные тела, но и их температуру, магнитные поля и многое другое. А еще по спектру можно  узнать, приближается или удаляется  от нас данная звезда (или галактика). Если приближается, то линии в ее спектре смещены к фиолетовому  концу, а если удаляется - к красному. При этом можно определить и скорость движения по лучу зрения. Эту скорость так и называют - лучевая скорость.

В самом  начале ХХ века единственным астрономом, который измерял лучевые скорости галактик, был молодой бакалавр одного из американских университетов Весто  Мелвин Слайфер. Обсерватория, где он фотографировал спектры галактик, находилась в Аризонской пустыне. В 1912 году Слайферу удалось сфотографировать спектр Туманности Андромеды (с выдержкой почти  в 7 часов) и измерить ее лучевую скорость. К огромному удивлению Слайфера и Ловелла, оказалось, что Туманность Андромеды приближается к нам  со скоростью 300 км/с. В последующие  два года Слайфер определил лучевые  скорости еще нескольких десятков туманностей  и убедился, что почти все они  удаляются от нас со скоростями 1000-2000 км/с. Работу Слайфера продолжили астрономы  на крупнейших американских обсерваториях, таких, как Маунт Вилсон и Ликская. Там удалось определить скорости большого числа галактик. Оказалось, что некоторые из них удаляются  от нас со скоростью в десятки  тысяч километров в секунду!

К сожалению, время этих исследований пришлось на период первой мировой войны, когда  ученые Европы и Америки были плохо  осведомлены о работах друг друга. Например, далеко не сразу европейцы  узнали об открытиях Слайфера и об открытиях других американских астрономов. А американцы какое-то время не знали  о работах Альберта Эйнштейна, которым  суждено было стать основой космологии - учения о Вселенной в целом. Поэтому  некоторые важные результаты оказывались  незамеченными, открытия "переоткрывались" и т.д. Но и европейских, и американских астрономов в эти годы очень интересовала одна проблема: существует ли связь  между скоростями удаления галактик и расстоянием до этих звездных систем? Определенный ответ удалось получить Эдвину Хабблу. И именно он вошел  в историю астрономии как человек, открывший расширение Вселенной.

В 1929 году Эдвин Хаббл работал на обсерватории Маунт Вилсон и открыл свой великий закон (закон Хаббла). Он установил простую зависимость между красным смещением галактик и расстоянием до них. Открытие расширяющейся Вселенной было одним из великих интеллектуальных переворотов двадцатого века.

Заключение

Каждой исторической эпохе присущ свой горизонт науки, своя ограниченность представлений о природе вещей, явлений, окружающих человека. На протяжении тысячелетий человек не мог охватить взглядом свою планету. И первоначально  он создавал примитивные космологические представления типа: «Земля держится на трех слонах» (или на черепахе, в зависимости от того, что он видел перед собой)...    

 Благодаря усилиям Н. Коперника, И. Кеплера и И. Ньютона более 300 лет назад горизонт астрономии был расширен за орбиту планеты Сатурн. В. Гаршель отодвинул его до края Галактики, а совсем недавно Хаббл — в далекое межгалактическое пространство. Ныне нельзя не испытывать чувство гордости от того, что человеческий разум оказался способным раскрывать тайны далеких звезд и галактик, устанавливать законы их строения и развития.    

 Но с каждым годом перед  человеком встают все более  сложные вопросы, затрагивающие фундаментальные свойства материи и конкретные формы ее существования. Симметрична ли Вселенная относительно вещества и антивещества? Состоят ли элементарные частицы из более простых? Неизменны ли на самом деле так называемые постоянные величины — постоянная тяготения С, постоянная Планка h, скорость света с и другие? И почему они имеют именно такие, а не другие численные значения? И если некоторые из них медленно изменяются, то как  это влияет на развитие Вселенной и ее отдельных составные частей.        

 Да, сегодня нам известно  уже многое о строении Вселенной  и ее отдельных' объектов. Но... с каждым годом расширяется  горизонт науки, расширяются пределы  в пространстве и времени, до которых проникает человеческий разум. И, как говорил римский философ Сенека, несомненно, что на долю наших потомков" останется большая часть истин, еще не открытых...

Список используемой литературы

1. www.yandex.ru
2. www.google.ru
3. Чернин А.Д. Космология: Большой Взрыв.-М., 2007