Теория Большого взрыва. 2

Ф Е Д Е Р А Л Ь Н О Е А Г Е Н С Т В О П О О Б Р А З О В А Н И Ю 

КАРЕЛЬСКИЙ  ФИЛИАЛ

ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«СЕВЕРО-ЗАПАДНАЯ АКАДЕМИЯ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЛУЖБЫ»

В Г. ПЕТРОЗАВОДСКЕ 

Отделение высшего профессионального образования

кафедра экономики и финансов 

Концепция современного естествознания 

Реферат

Теория  Большого взрыва 

Выполнил  студент __ курса (__год обучения) специальность 080105.65 «Финансы и кредит», обучающийся  по заочной форме, на базе среднего

профессионального образования не соответствующего профилю  избранной специальности                                              

Ачеповский  Александр Иванович

«11» октября 2010г.                                     

Научный руководитель:

Луканин Владимир Васильевич, д.б.н., профессор кафедры гуманитарных дисциплин Карельского филиала СЗАГС в г. Петрозаводске

«___»________________2010г.                             

                                                                  Дата сдачи__________________________________

Оценка_____________________________________

Подпись руководителя________________________                                                                                             

Петрозаводск  2010 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………………………………..3

Глава 1. Был ли Большой взрыв…………………….………..………………4

Глава 2. Сценарий Большого взрыва………………………….……….…….6

Глава 3. Проблема теории Большого взрыва………………………………9

Глава 4. Судьба Вселенной…………………….………………………..……12

Заключение……………………………………………………………….……..14

Список  использованных источников и литературы……………….…...…15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

      Проблемы  зарождения и существования Вселенной занимали самого древнего человека. Небо, которое было доступно его обозрению, было для него очень интересно. Недаром астрономия считается одной из самых древних наук о природе. Не потерял интереса к изучению проблем космоса и современный человек, но он смотрит глубже, его уже интересует не просто выяснение вопроса, что есть Вселенная? Современные ученые ищут ответы на следующие вопросы:

а) Что  было, когда Вселенная рождалась?

б) Как  давно это было и как происходило?

в) Рождалась  ли Вселенная вообще или она глобально стационарна?

      Для поиска ответов на эти непростые  вопросы в астрономии появилась  новая отрасль – космология. По определению А.Л. Зельманова (1913-1987) космология – это совокупность накопленных  теоретических положений о строении вещества и структуре Вселенной, как цельного объекта, так и отдельные научные знания охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной. Космология стала искать различные варианты ответов на поставленные вопросы, выдвигать различные теории и гипотезы. Так появилась Теория Большого взрыва и гипотезы, описывающие первые мгновения рождения Вселенной, ее структуризацию и развитие.

      Космология, как и любая современная наука, сегодня бурно живет и развивается, в большей мере за счет «альтернативных  теорий». Все это позволяет человечеству точнее понять сущность физических процессов, дает возможность ученым прогнозировать дальнейшую эволюцию Вселенной. 
 
 
 
 

Глава 1. Был ли Большой взрыв?

      Академик  Я.Б. Зельдович писал по этому  поводу 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 теории не в состоянии препятствовать успеху новых теорий».

      На  чем основана уверенность академика  Я.Б. Зельдовича в справедливости теории «горячей Вселенной»? Имеется ряд данных, которые подтверждают теорию Большого взрыва.

      Во-первых, это 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 сопоставимы с данными о возрасте Метагалактики.

      Второе  подтверждение состоит в том, что данные радиоастрономии свидетельствуют, что в прошлом далекие внегалактические источники радиоизлучения излучали интенсивней, чем сегодня, следовательно, эти источники эволюционируют. Когда сегодня мы наблюдаем мощный источник радиоизлучения, необходимо помнить о том, что перед нами его далекое прошлое, ведь сегодня радиотелескопы принимают волны, которые были излучены миллиарды лет назад. Факт, что радиогалактики и квазары эволюционируют, причем время их эволюции совпадает со временем существования Метагалактики, говорит в пользу теории Большого взрыва.

      Третьим важным подтверждением рассматриваемой  теории, является наблюдаемая распространенность химических элементов с тем соотношением гелия и водорода (1/4 и 3/4 соответственно), которое возникло во время первичного термоядерного синтеза.

      Главным же подтверждением теории Большого взрыва («горячей Вселенной») считается открытие реликтового излучения. Для космологии это явление имеет фундаментальное  значение, сравнимое по значению с  открытием расширения Метагалактики.

      В чем суть открытого реликтового излучения? Так называемый «отрыв» излучения от вещества происходил, когда температура в расширяющейся Вселенной была порядка 3000-4000 К. В ходе последующего расширения Вселенной температура снижалась, но характер излучения (его спектр) сохранился до наших дней, напоминая о далекой «молодости» Метагалактики.

      Советский астрофизик И.С. Шкловский предложил  называть это излучение реликтовым. Теория предсказала существование  реликтового излучения. Теоретические  оценки температуры реликтового  излучения были даны в 40-50 г.г. в работах Г.А. Гамова, а затем его учеников Р. Альфреда и Р. Германа. В 1964 г. советские астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич впервые выполнили конкретные расчеты интенсивности излучения различных объектов: звезд, межзвездной пыли, галактики и т.д.

      В конце 60-х годов группа американских ученых во главе с Р. Дикке приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение. Но их опередили А. Пензиас и Р. Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую  премию за открытие микроволнового фона (это официальное название реликтового излучения) на волне 7,35 см.

      Примечательно, что будущие лауреаты Нобелевской  премии не искали реликтовое излучение, а в основном занимались отладкой радиоантенны для работы по программе  спутниковой связи. С июля 1964 г. по апрель 1965 г. они при различных положениях антенны регистрировали космическое излучение, природа которого первоначально была им не ясна. Этим излучением и оказалось реликтовое излучение. 
 

Глава 2. Сценарий Большого взрыва 

      Нас интересуют события, которые произошли, по разным оценкам, 13 – 20 млрд. лет назад (13 млрд. лет в соответствии с теорией «закрытого мира», а 20 млрд. лет по теории «Открытого мира»). Все это время наша Вселенная, согласно теории Большого взрыва, постоянно расширялась. В прошлом же плотность вещества должна была быть огромной. Согласно теории А. Фридмана следует, что плотность могла быть бесконечно  большой, хотя некоторые ученые называют некий возможный предел значения плотности вещества, примерно равный 10 ⁹⁷ кг/м ³.

      Другим  важным параметром является температура. Вопрос о том, «холодной» или «горячей» была материя в ту эпоху, долгое время оставался спорным. Решающие доказательства, что Вселенная была горячей, удалось получить в середине 60-х годов. В настоящее время большинство космологов считает, что материя в начале расширения Вселенной была не только сверхплотной, но и очень горячей, а теория рассматривающая физические процессы в начале расширения Вселенной получила название «теории горячей Вселенной».

      Согласно  этой теории, ранняя Вселенная представляла собой гигантский ускоритель «элементарных» частиц. Началом работы Вселенского ускорителя был Большой взрыв. Этот термин часто применяют современные космологи. Наблюдаемый разлет галактик и их скоплений – следствие Большого взрыва. Академик Я.Б. Зельдович назвал этот взрыв астрономическим, тем самым, подчеркнув его отличие от химического взрыва.

      У обоих взрывов есть общие черты, например, в обоих случаях вещество после взрыва охлаждается при  расширении, падает и его плотность. Но есть и существенные отличия. Главное состоит в том, что химический взрыв обусловлен разностью давлений во взрывающемся веществе и давлением в окружающей среде (воздухе). Эта разность давлений создает силу, сообщающую скорость частицам заряда взрывчатого вещества. В астрономическом взрыве подобной разности давлений нет. Астрономический взрыв не начался из какого-то определенного центра, распространяясь на все большие области, а произошел сразу во всем существовавшем тогда пространстве. Представить себе это очень трудно, тем более что «все пространство» в начале взрыва могло быть как конечным (теория замкнутого мира), так и бесконечным (теория открытого мира).

      В теории космологии принято эволюцию вселенной разделять на 4 эры:

а) адронная эра (начальная фаза, характеризующаяся высокой температурой и плотностью вещества, состоящего из элементарных частиц – «адронов»);

б) лептонная  эра (следующая фаза, характеризующаяся  снижением энергии частиц и температуры  вещества, состоящего из элементарных частиц «лептонов».

в) фотонная эра или эра излучения (характеризуется снижением температуры до 10К, аннигиляцией электронов и позитронов, давление излучения полностью отделяет вещество от антивещества);

г) звездная эра (продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц, продолжается со времени завершения Большого взрыва (примерно 300 000 лет назад) до наших дней.

      В нулевой момент времени Вселенная  возникла из сингулярности, то есть из точки с нулевым объемом и  бесконечно высокой плотностью и температурой. Пытаясь объяснить происхождение Вселенной, сторонники Большого взрыва сталкиваются с серьезной проблемой, поскольку исходное состояние Вселенной в разработанной ими модели не поддается математическому описанию. В их описаниях Вселенная в начале представляла собой точку пространства бесконечно малого объема, имевшую бесконечно большую плотность и температуру. Такое состояние вещества в принципе не может быть описано математически. На языке науки это явление получило название «сингулярности». 

      Существует  два основных взгляда на процесс 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 сил тяготения эти области сначала отделились в виде очень протяженных сгустков вещества. В этих сгустках начался процесс фрагментации, приведший к образованию облаков меньших размеров, которые позднее превратились в скопления и отдельные галактики, наблюдаемые сегодня. Далее в этих меньших (по галактическим размерам) сгустках под действием сил тяготения в случайных неоднородностях плотности началось формирование звезд. Другая точка зрения дает другой сценарий: вначале из флуктуаций плотности в расширяющемся первичном шаре сформировались многочисленные (малые) галактики, которые с течением времени объединились в скопления, в сверхскопления и, возможно, в более крупные иерархические структуры.

      Главным в споре этих двух взглядов является ответ на вопрос, имел ли процесс  Большого взрыва вихревой (турбулентный) характер или протекал более гладко. Признаков турбулентности в крупномасштабной структуре сегодняшней Вселенной не наблюдается. Вселенная выглядит удивительно сглаженной в крупных масштабах, несмотря на некоторые отклонения, в целом далекие галактики и их скопления галактики распределены по всему небу равномерно, а степень изотропности фонового излучения также довольно высока. Все это заставляет признать, что Большой взрыв был безвихревым, упорядоченным процессом расширения. 
 
 
 
 
 
 

Глава 3. Проблемы теории Большого взрыва 

      Теория  Большого взрыва захватывает воображение  и мало кого оставляет равнодушным. Создается впечатление, что, она основана на фактическом материале и подкреплена математическими выкладками и поэтому большинству людей она кажется более приемлемой, чем религиозное объяснение возникновения Вселенной. Однако, по мнению ряда ученых-космологов рассматриваемая теория является лишь последней из целого ряда попыток объяснить зарождение Вселенной с позиций физического мировоззрения, согласно которому мир представляет собой порождение материи, функционирующей в строгом соответствии с законами физики.

      Попытки ученых создать такую физическую модель происхождения Вселенной основываются на трех аксиомах: все явления природы могут быть полностью объяснены физическими законами, выраженными в математической форме; эти физические законы универсальны и не зависят от времени и места; все основные законы природы просты. Большинство людей принимают эти постулаты как нечто само собой разумеющееся, но на самом деле никто и никогда не мог доказать их истинности. И более, доказать их справедливость непросто. Поэтому нельзя исключать, что в основе Вселенной лежат принципиально иные законы, не поддающиеся простому математическому описанию. Если допустить, что наша Вселенная бесконечно сложна, то нужно признать, что человеку с его ограниченным умом, знаниями и возможностями будет очень трудно понять ее структуру.

      Следует признать возможность того, что представления  ученых о том, что физические законы открытые ими в лабораториях, на Земле, действуют во всей Вселенной  и на всех этапах ее эволюции, мягко  говоря, необоснованны. С одной стороны  без таких допущений не может обойтись ни одна попытка объяснения происхождения Вселенной, ведь мы не можем вернуться на миллиарды лет назад и получить прямую информацию о зарождении нашей Вселенной. С другой стороны, многие ученые признают рискованность переноса наших весьма ограниченных знаний на мироздание в целом.

      Первой  проблемой является понятие «сингулярности». Профессор радиоастрономии Манчестерского университета Б. Лоувел писал о сингулярности  следующее: «В попытке физически  описать исходное состояние Вселенной мы натыкаемся на препятствие. Вопрос в том, является ли это препятствие преодолимым. Может все наши попытки научно описать исходное состояние Вселенной, заранее обречены на неудачу? Этот вопрос, а также концептуальные трудности, связанные с описанием сингулярной точки в исходный момент времени, являются одной из основных проблем современной научной мысли».

      На  сегодняшний день это препятствие  не смогли преодолеть даже самые выдающиеся ученые, разрабатывающие теорию Большого взрыва. Таким образом, данная теория сталкивается с непреодолимыми проблемами буквально с самого начала, в большинстве научно-популярных изложений теории большого взрыва сложности, связанные с исходной сингулярностью либо замалчиваются, либо упоминаются вскользь. В специальных же статьях ученые признают их главным препятствием.

      Если  какая-либо модель Вселенной постулирует  сингулярность, это, несомненно, создает  большие теоретические трудности. Пытаясь уйти от ответа на вопросы, касающиеся сингулярности, ученые предложили теорию так называемой «Бесконечно пульсирующей Вселенной». В соответствии с этой теорией, Вселенная расширяется, а затем сжимается до сингулярности, затем вновь расширяется и снова сжимается. Эта теория, на первый взгляд, снимает вопрос о происхождении Вселенной – у нее нет начала и конца, она существует вечно. Но до сих пор никто не смог удовлетворительно объяснить механизм пульсирования.

      Физик А. Гут из Массачусетского технологического института предложил свою теорию Большого взрыва, которая объясняет  спонтанное возникновение этой организации, устраняя необходимость искусственно вводить точные параметры в уравнения, описывающие исходное состояние Вселенной. Его модель была названа «инфляционной Вселенной». Суть ее в том, что внутри быстро расширяющейся, перегретой Вселенной небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширяться быстрее, подобно тому, как переохлажденная вода стремительно замерзает, расширяясь при этом. Эта фаза быстрого расширения позволяет устранить некоторые проблемы, присущие стандартной теории Большого взрыва. Однако и эта модель не лишена недостатков и основным является то, что для того, чтобы уравнения Гута правильно описывали инфляционную Вселенную, ему пришлось очень точно задать исходные параметры для своих уравнений.  Все современные космологические теории опираются не только на классическую физику, но и на квантовую механику, которые принципиально отличается друг от друга. Если классическая физика занимается описанием поведения материальных объектов, то квантовая механика сосредоточена только на математическом описании процессов наблюдения и измерения. Таким образом, вещественная материальная реальность исчезает из ее поля зрения. В квантовой механике наряду с объектом и инструментами исследования третьим элементом анализируемой картины становится наблюдатель. Поэтому применение квантовой механики для описания Вселенной сопряжено с трудностями, ведь по определению все наблюдатели являются частью Вселенной и лишены возможности быть сторонним наблюдателем. В попытке сформулировать версию квантовой механики, которая не нуждается в постороннем наблюдателе, известный физик Дж. Уилер предложил модель, в соответствии с которой Вселенная постоянно расщепляется на бесконечное количество копий. Каждая параллельная Вселенная имеет своих наблюдателей, которые видят данный конкретный набор квантовых альтернатив, и все эти Вселенные реальны. 
 

Глава 4. Судьба вечно расширяющейся Вселенной

     Если  наша Вселенная будет неограниченно  расширяться - а об этом свидетельствуют  почти все данные наблюдений, - то что ее ожидает в будущем? По мере расширения пространства материя становится все более разреженной, галактики и скопления все более удаляются друг от друга, а температура фонового излучения неуклонно приближается к абсолютному нулю. Со временем все звезды завершат свой жизненный цикл и превратятся либо в белых карликов, остывающих до состояния холодных черных карликов, либо в нейтронные звезды или черные дыры. Эра светящегося вещества закончится, и темные массы вещества, элементарных частиц и холодного излучения будут бессмысленно разлетаться в непрерывно разрежающейся пустоте.

     Впрочем, черные дыры не останутся без работы. Имея на то достаточно времени, черные дыры поглотят огромное количество вещества Вселенной.

     Дж. Б. Берроу из Оксфордского университета и Ф. Типлер из Калифорнийского университета нарисовали такую картину отдаленного будущего неограниченно расширяющейся вселенной. Даже внутри старой нейтронной звезды сохраняется еще достаточно энергии, чтобы время от времени сообщать частицам, находящимся вблизи ее поверхности, скорость, превышающую скорость убегания; предполагается, что в результате этого через достаточно продолжительное время все вещество нейтронной звезды должно испариться. Распадутся и черные дыры, вызвав рождение частиц и античастиц. По мнению Берроу и Типлера, если запас энергии во Вселенной достаточен только для того, чтобы обеспечить ее неограниченное расширение, то эффект электрического притяжения в электронно-позитронных парах перевесит и гравитационное притяжение, и общее расширение Вселенной как целого; поэтому за конечное время все электроны проаннигилируют со всеми позитронами. В конечном итоге последней стадией существования материи окажутся не разлетающиеся холодные темные тела или черные дыры, а безбрежное море разреженного излучения, остывающего до конечной, повсюду одинаковой, температуры.

     Второе  начало термодинамики предсказывает, что конец Эволюции Вселенной  наступит, когда выровняется температура ее вещества - так как тепло передается от более теплых тел к более холодным, различие их температур со временем сглаживается и совершение работы становится невозможным. Эта мысль о «тепловой смерти» Вселенной была высказана еще в 1854г. Германом Гельмгольцем (1821-1894). Небезынтересно отметить, что наше современное представление о неограниченно расширяющейся Вселенной вместе с концепцией квантового излучения черных дыр, которая основана на аналогии между гравитацией и термодинамикой, по существу, привела к выводам, сделанным Гельмгольцем.

     Мы  не знаем с определенностью, каков должен быть исход противоборства расширения Вселенной и гравитационного притяжения ее вещества. Если победит тяготение, Вселенная когда-нибудь сколлапсирует в процессе Большого сжатия, которое может оказаться либо концом ее существования, либо прелюдией к новому циклу расширения. Если же силы тяготения проиграют сражение, то расширение будет продолжаться неограниченно долго, но тем не менее гравитация будет играть существенную роль в определении окончательного состояния вещества Вселенной: станет ли оно безбрежным морем однородного излучения или же будет рассеиваться множеством темных холодных масс.

     Так неужели, же Вселенная обречена на вечное расширение? Пока все данные говорят именно об этом, хотя нельзя без боли думать о превращении нашего удивительного и сложного мира в бесформенную темную пустоту. По-видимому, многим была бы больше по душе пульсирующая модель, дающая надежду на возрождение пусть не живых существ, но по крайней мере таких привычных нам вещей, как вещество и излучение. Однако, что бы мы ни предпринимал», это не изменит судьбу космоса. 

Заключение

      Вселенная развивается и в наше время. В  спиральных  галактиках рождаются  и умирают звезды. Вселенная продолжает расширятся…

     Хотя  академик Я.Б. Зельдович не сомневался в правильности теории Большого взрыва, и в ее пользу говорит целый ряд научных фактов, расчетов и гипотез, некоторые ученые скептически относятся к данной теории. В основе их аргументации лежат факты и вопросы, не нашедшие своего освещения в теории Большого взрыва:

      Во-первых, теория Большого взрыва не дает ответов на следующие вопросы: Что заставило вещество Вселенной расширяться? Что происходило до начала расширения? Конечны ли пространство и масса?

      Во-вторых, несмотря на то, что теория Большого взрыва основывается на общей теории относительности, она допускает разбегание некоторых частиц со скоростями, превышающими скорости света.

      В-третьих, довольно абстрактно и вольно рассматриваются  такие сложные вопросы, как границы  и открытость Вселенной, евклидова  и неевклидова модель Вселенной.

      В- четвертых, не находят веского фактического подтверждения существование таких  частиц как гипероны и мезоны, которые  по теоретическим выкладкам «удобно» вписываются в существующую теорию.

      Основное  же замечание состоит в том, что  все методы анализа, исследования, выдвижение теорий и гипотез осуществляется при высокой степени допущений. Такая степень допущений не позволительна для такой глобальной теории, как теория Большого взрыва.

      В целом же знаний имеющихся в распоряжении человечества недостаточно для окончательного рассмотрения эволюции Вселенной, данный вопрос требует дальнейших серьезных исследований и научных открытий.

      Вселенная - это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем.

Список  использованных источников и литературы

1. Воронцов-Вельяминов Б.А. Вселенная / Б.А. Воронцов-Вельяминов. - Москва: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1974. - 254 c.
2. Демин В.Н. Тайны Вселенной / В.Н.Демин. – Москва: Наука, 1998. - 480 с.
3. Рузавин Г. И. Концепции современного естествознания:  учебник для вузов / Г.И. Рузавин. – Москва: ЮНИТИ, 1997. – 288с.
4. Нарликар Дж. Неистовая Вселенная / Нарликар Дж. – Москва: Мир, 1985. - 256 с.
5. Казютинский В.В. Вселенная, Астрономия, Философия / В.В. Казютинский. - Москва: Знание, 1972. - 356 с.
6. Кесарев В.В. Эволюция вещества во вселенной / В.В.Кесарев. - Москва: Атомиздат, 1989.  - 246c.
7. Комаров В.Н. Увлекательная астрономия / В.Н.Комаров. – Москва: Наука, 1968. - 435 c.
8. Левитан Е.П. Эволюционирующая Вселенная / Е.П.Левитан. - Москва: Просвещение, 1993. - 405c.
9. Левитан С.П. Астрономия / С.П.Левитан. – Москва: Просвещение, 1994. -  327c.
10. Николсон И. Тяготение, чёрные дыры и Вселенная  / И.Николсон. – Москва: Мир, 1983. - 240 с.
11. Новиков И.Д. Черные дыры и Вселенная /И.Д.Новиков. – Москва:  Молодая гвардия, 1985. – 188с.
12. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной / И.Д.Новиков. – Москва: Наука, 1993. - 425c.
13. Силк Дж. Большой взрыв : Рождение и эволюция Вселенной / Пер. с англ. А. Г. Полнарева; Под ред. И. Д. Новикова. - Москва: Мир, 1982. - 391 с.