Теорія великого вибуху

Курганська державна сільськогосподарська академія їм. Т. З. Мальцева.

Кафедра концепції сучасного естествознания.

Походження Вселенной.

Теорія Великого взрыва.

Виконав: студент I курсу, эконо-мического факультету, I групи, I підгрупи Аленькин Константин.

Перевірив: Калінін С.С.

Лесниково 1999 г.

План: 1. Історія Всесвіту відповідно до стандартної моделі Великого Вибуху. 2. Майбутнє Всесвіту. 3. Яка доля очікує вічно расширяющуюся Всесвіт? Список використаної литературы.

Історія Всесвіту відповідно до стандартної модели.

Великого взрыва.

У нульової час Всесвіт виникла з сингулярності. У протягом першої мільйонної частки секунд, коли температура значно перевищувала 1012К, а щільність була немислимо велика, мали неймовірно швидко міняти одне одного екзотичні взаємодії, недоступні розумінню у межах сучасної фізики. Ми можемо лише міркувати тим, які були такі найперші хвилини; наприклад, можливо, що чотири фундаментальні сили природи були спочатку злиті воєдино. Але є підстави вважати, що наприкінці першої мільйонної частки секунд вже існував первинний «бульйон» багатих енергією («гарячих») частинок випромінювання (фотонів) і частинок речовини. Ця самовзаимодействующая маса перебувала у стані з так званого теплового равновесия.

У ті такі найперші хвилини все які були частки мали безупинно виникати і аннигилировать. Будь-яка матеріальна частка має деяку масу, і для її створення потрібно наявність певної «порогової, енергії»; поки щільність енергії фотонів залишалася діставши точно високої, могли виникати будь-які частки. Ми знаємо також, що, коли частки народжуються з гамма-випромінення (фотонів високої енергії), вони народжуються парами, які з частинки й античастинки, наприклад електрона і позитрона. У умови сверхплотного стану матерії, властивого раннього етапу життя Всесвіту, частинки й античастинки мали відразу ж після свого народження знову зіштовхуватися, перетворюючись на гамма-випромінювання. Це взаємне перетворення частинок в випромінювання і навпаки тривало до тих пір, поки щільність енергії фотонів перевищувала значення порогової енергії освіти частиц.

Коли вік Всесвіту досяг однієї сотої частини секунди, її температура впала приблизно до 1011К, ставши нижче граничного значення, при якому можуть народжуватися протони і нейтрони, але з цих частинок всетаки уникли взаємної анігіляції відносини із своїми античастицами — інакше тільки у сучасної нам Всесвіту було б речовини! Через 1 з після Великого вибуху температура знизилася приблизно до 1010К, і нейтрино, сутнісно, перестали взаємодіяти з речовиною: Всесвіт стала практично прозорою для нейтрино. Електрони і позитроны ще продовжували аннигилировать і виникати знову, але приблизно 10с рівень щільності енергії випромінювання упав нижче, й їх порога, величезну кількість електронів і позитронів перетворилася на випромінювання в катастрофічному процесі взаємної анігіляції, залишивши по собі лише незначна кількість електронів, достатнє, проте, у тому, щоб, об'єднавшись з протонами і нейтронами, дати початок тій кількості речовини, яку ми спостерігаємо сьогодні у Вселенной.

Очевидно, мала існувати деяка диспропорція між частинками (протонами, нейтронами, електронами тощо. буд.) і античастицами (антипротонами, антинейтронами, позитронами тощо. буд.), бо всі частки (Не тільки все античастинки) зникнуть у процесі анігіляції. У навколишньої частини Всесвіту речовини незрівнянно більші, ніж антиречовини, яка лише зрідка зустрічають у вигляді окремих складу. Ймовірно, звісно, що у ранній стадії еволюції Всесвіту у ній були області, де домінувало речовина, й із переважанням антиречовини — у разі існування зірок і аж галактик, які з антиречовини; великих відстанях вони було б не відрізнити звичних нам зірок і галактик з речовини. Проте ми й немає жодних посвідчень у користь цього припущення, тому більш розумною здається вважати, що з початку виник невеличкий, але помітний дисбаланс частинок і складу. Нині розробляється ряд теорій, у яких такий дисбаланс знаходить цілком природне объяснение.

Через 3 хв після Великого Вибуху температура Всесвіту знизилася до 109К і виникли нормальні умови для освіти атомів гелію: цього було витрачено майже всі які були у наявності нейтрони. Через приблизно ще хвилину майже всі речовина Всесвіту складався з ядер водню і гелію, що були приблизно тієї ж кількісної пропорції, яку ми спостерігаємо сьогодні. Починаючи відразу ж, розширення первинного вогняного кулі відбувалося без докорінних змін до того часу, поки через 700 000 років електрони і протони не з'єдналися в нейтральні атоми водню, тоді Всесвіт стала прозорою для електромагнітного випромінювання — виникло то, що зараз спостерігають як реліктове фонове излучение.

Коли речовина стало прозорим для електромагнітного випромінювання, на дію вступило тяжіння: вона почала переважати з усіх іншими взаємодіями між масами практично нейтрального речовини, складав основну частину матерії Всесвіту. Тяжіння створило галактики, скупчення, зірки й планети — всі ці об'єкти утворилися з первинного речовини, яке, своєю чергою, виділилося з швидко остывавшего і втрачала щільність первинного вогняного кулі; тяжіння ж слід визначити шлях еволюції й вирішила результат життя усього Всесвіту загалом. Проте, багато запитань, що стосуються епохи, що виникла за епохою відділення випромінювання від речовини, залишаються тут поки без відповіді; зокрема, залишається невирішеним питання формування галактик і зірок. Утворилися чи галактики раніше першого покоління зірок навпаки? Чому речовина зосередилося в дискретних утвореннях — зірках, галактиках, скупчення і сверхскоплениях, — коли Всесвіт як єдине ціле розліталася у різні стороны?

Є дві основних погляду проблему формування галактик. Перший у тому, що у будь-яку час в розширення суміші речовини і випромінювання могли існувати випадково розподілені області з щільністю перевищує середню. Унаслідок сил тяжіння ці області спочатку відокремились як дуже протяжних згустків речовини, у яких потім як уже почалися фрагментації, який призвів до освіті хмар менших розмірів, які згодом перетворилися на скупчення й окремі галактики, спостережувані сьогодні. Далі у тих менших — галактичних розмірів — згустках знов-таки під впливом тяжіння у випадкових неоднородностях щільності почалося формування зірок. Є й інша думка на перебіг подій: спочатку з флуктуацій щільності в розширенні первинному кулі сформувалися численні (малі) галактики, що з часом об'єдналися в скупчення, в сверхскопления і, можливо, навіть у більші ієрархічні структуры.

Головним пунктом у цій суперечці є питання, чи мала процес Великого вибуху вихоровий, турбулентний, характер чи протікав більш гладко. Турбулентності в великомасштабної структурі сьогоднішньої Всесвіту відсутні. Всесвіт виглядає дивовижно згладженої у крупних масштабах; попри деякі відхилення, загалом далекі галактики і скупчення розподілені з усього небу найвищою мірою рівномірно, а ступінь ізотропність фонового випромінювання також досить висока (вище, ніж 1:3000). Всі ці факти, певне, свідчать, що Великий вибух був безвихревым, упорядкованим процесом розширення. А звідки ж у разі виникли флуктуації щільності, які є пізніше галактиками? Вирішення питання не може тим, що ми маємо спостережливими даними, які належать до критичного моменту освіти зоряних систем;

Відповідно до узвичаєної точки зору, мікрохвильове фонове випромінювання дає інформацію про епоху, коли вік Всесвіту налічував приблизно 700 000 років, чому відповідає червоне усунення близько 1000. Найбільш далека від нас квазар має усунення 3,6, тобто. спостережуваний світло цього квазара був испущен їм, коли вік Всесвіту становив трохи менше 2 млрд. років. У перервах часу від 700 000 до 2 млрд. років у Всесвіті повинно бути багато, зокрема сформувалися галактики. Проте він менш, останні дані, швидше за все, користь з двох згаданих вище гіпотез, за якою освіту галактик передувало формуванню скупчень і сверхскоплений.

Успішне пояснення низки явищ з допомогою моделі Великого Вибуху призвела до того, що, зазвичай, поза сумнівом реальність походження мікрохвильового фонового випромінювання з розширюваного первинного вогняного кулі на той час, коли речовина Всесвіту стало прозорим. Можливо, проте, що це надто просто пояснити. У 1978 р., намагаючись знайти обгрунтування спостережуваного співвідношення фотонів і баріонів (барионы — «важкі» елементарні частки, яких, зокрема, ставляться протони і нейтрони) — 108:1, — М. Рис висловив припущення, що фонове випромінювання то, можливо результатом «епідемії» освіти масивних зірок, розпочатої відразу після відділення випромінювання від речовини і доти, як вік Всесвіту досяг 1 млрд. років. Тривалість життя цих зірок не могла перевищувати 10 млн. років; багатьох судилося пройти стадію наднових і викинути у просторі важкі хімічні елементи, які частково запланували на крупинки твердого речовини, утворивши хмари міжзоряному пилу. Ця пил, нагріта випромінюванням догалактических зірок, могла, своєю чергою, випускати інфрачервоне випромінювання, яка за його червоного усунення, викликаного розширенням Всесвіту, простежується сьогодні як мікрохвильове фонове излучение.

Ця думка не отримала широке пошанування, проте цікаво відзначити, що у 1979 р. Д. П. Вуди і П. Л. Ричарде з Каліфорнійського університету опублікували результати спостережень, начебто що вказують на деякі відхилення характеристик мікрохвильового фонового випромінювання від кривою випромінювання абсолютно чорного тіла: крива фонового випромінювання виглядає «гостріше», ніж йому слід було бути. Пізніше тому ж році М. Роуэн-Робинсон, Дж. Негропонте і Дж. Силк (Коледж королеви Марії, Лондон) вказали, що «горб» на кривою мікрохвильового випромінювання, виявлений Вуді і Ричардсом, може бути пояснений випромінюванням пилових хмар, які утворилися за «епідемією» масового формування зірок, що він відповідає гіпотезі М. Рису. Наразі говорити, чи витримає це нове ідея наступний аналіз, але якщо вона цілком відповідає істині, це означатиме, що переважна більшість всієї маси Всесвіту міститься у невидимих залишках зірок первинного, догалактического, покоління верб час може у масивних темних гало, оточуючих яскраві галактики, які ми бачимо сегодня.

Майбутнє Вселенной.

Залишаючи осторонь спірний питання, що стосується освіти галактик, подивимося, що кажуть сучасна теорія і такі спостережень щодо розвитку Всесвіту роздивилися й її ймовірного конца.

Поза сумнівом, саме гравітаційна взаємодія визначить дальший хід подій. Чи достатньо у. Всесвіту речовини у тому, щоб сила тяжіння зрештою зупинили процесу розширення і змусили галактики знову розпочати падати друг на друга, у результаті Всесвіт закінчила б своє існування у якомусь «Великому стискуванні». Вони ж навпаки. Всесвіт розширюватиметься бесконечно?

Процес розширення Всесвіту так можна трактувати, використовуючи вже знайоме нам поняття швидкості утікання. Відповідно до Закону всесвітнього тяжіння Ньютона, ефективна гравітаційна сила, діюча на частку, що знаходиться всередині порожній сферичної оболонки, дорівнює нулю—. тяжіння, викликаного різними частинами оболонки, взаємно компенсується. І це має місце й у загальної теорії відносності. Отже, якщо вибрати для дослідження типову сферичну область Всесвіту, то ми все інше можна вважати порожнистої толстостенной оболонкою, розташованої поза цікавій для нас області, що у силу космологічного принципу всі напрямки у Всесвіту рівноправні, а речовина у ній розподілено рівномірно. Тоді можна припустити, що у галактику, розташовану на краю обраної нами області, діють сили тяжіння лише з боку речовини, який би всередині обраної сфери. Якщо це хімічна речовина розподілено рівномірно, то галактика буде притягатися до центра сфери бо коли там була зосереджена вся ув’язнена всередині сфери маса. У його русі щодо центру сфери ця «пробна» галактика повинна поводитися, як снаряд, випущений «назовні» з цього точки. Якщо швидкість галактики досить великий, т. е. якщо вона перевищує швидкість утікання, характерну з цією сферичної області, то галактика продовжуватиме свій рух вічно (відкрита всесвіт), якщо швидкість галактики недостатня, вона зрештою зменшиться нанівець, після чого галактика почне до центру сфери (замкнута вселенная).

Знаючи швидкість розбігання галактик — вона визначається значенням постійної Хаббла, — можна оцінити необхідну величину маси, яка має міститися у цьому обсязі простору, щоб розширення колись припинилося; інакше кажучи, потрібно розрахувати середнє щільності речовини, яка забезпечив би існування замкнутої всесвіту. Якщо виявиться, що сьогодні середня щільність речовини перевищує деяке значення, зване критичної щільністю, то Всесвіт згодом повинна перестати розширюватися — тоді полі битви залишиться поза силами тяжіння і колапс речовини Всесвіту буде неизбежным.

Беручи Но=55 км/с*Мпс, знаходимо, що значення критичної щільності приблизно дорівнює 5−10−27 кг/м3, чи середньому приблизно 3 атома водню один м3 — це надзвичайно трохи! Під час такої щільності Всесвіт має бути дуже великий, а речовина у ній — дуже розрідженим. Визначення середньої щільності речовини у Всесвіті - одну з найважливіших завдань сучасної астрономии.

Інший спосіб з’ясування, відкрита чи замкнута Всесвіт, залежить від безпосередньому вимірі уповільнення розширення, тобто. у вимірі величини, відомої за назвою параметра уповільнення qо. Виробляючи спостереження дуже віддалених об'єктів, ніби подорожуємо у часі в далеке минуле, коли — якщо правильна теорія Великого Вибуху — Всесвіт розширювалася швидше, що тепер. У принципі так, виробляючи виміру перетворилася на дуже широкому інтервалі відстаней до галактик та його червоних зсувів, можна виявити відхилення від ухвалення закону Хаббла до найвіддаленіших зоряних систем. Але практично його назву, по крайнього заходу сьогоднішній день, які узгоджуються між собою надійних результатів. Тут ще багато труднощів, включаючи проблему правильної оцінки відстаней і можливість невідомих поки процесів еволюції: наприклад, цілком імовірно, у минулому галактики мали велику світність, що тепер, але питання на тому, наскільки велику? Щоб співаку визначити, чи є наш Всесвіт відкритої чи замкнутої, необхідно досліджувати об'єкти з зміщенням вище 0,5, але це відповідає відстаней, які перевищують тобі й маєш яких помітні звичайні галактики (становище може змінитися космічний телескоп, виведений на орбіту навколо Землі, створення якої планують 80-ті роки). Зрозуміло, що на посаді об'єктів дослідження взяти квазари, але у їх природі, еволюції і відстанях перед тим занадто багато незрозумілого, отже надійність отриманих результатів залишається поки сумнівною. Сьогодні ми маємо спостережливими даними, які свідчать на користь як відкритої, і замкнутої модели.

Траплялися також намагання визначати вік Всесвіту різними методами і порівнювати його з хаббловским часом — тим віком, який було б Всесвіт, якби уповільнення розширення (близько 18 млрд. років при Но=55 км/с*Мпс). Оцінки віку найстаріших зірок в кульових скупчення, які робилися з урахуванням їх хімічного складу із сучасних теорій зоряної еволюції, дали значення інтервалі 8−18 млрд. років, тоді як засіб радіоактивної датировки дає значно меншу цифру — близько 6 млрд. років. У 1978 г. Д. Казанас і Д. Н. Шрамм з Чиказького університету, виходячи з даних своїх спостережень, дійшли висновку, що найкраще що з відомими фактами вік Всесвіту має становити 13,5- 15,5 млрд. років, що він відповідає відкритої, вічно розширення вселенной.

З іншого боку, в 1977 г. Д. Линден-Белл в Кембриджі отримав значення Але, приблизно однакова 110 км/с*Мпс, базуючись у своїй у своїй моделі, розробленої до пояснень уявного розбігання зі сверхсветовыми швидкостями радіокомпонентів деяких квазарів. Це значення Але, коли вона, звісно, вірно, має означати, що визначається на закон Хаббла вік Всесвіту не перевищує 9 млрд. років, а їх кількість на межі суперечність із віком, найбільш старих з відомих звезд.

Якщо прийняти це до уваги уповільнення швидкості розбігання галактик (тобто. розширення Всесвіту), виникає істотна проблема, як «ув'язати» цей вік з найпростішої моделлю Великого Вибуху. У результатах, опублікованих Д. Хэйнсом в 1979 г. в Кембриджі, хаббловский вік Всесвіту становить 13 млрд. років, суть у тому року М. Ааронсом в Стьюартской обсерваторії, Дж. Хучра в Гарвардському університеті, і Дж. Моулд в Національної обсерваторії Кит-Пик опублікували результати, засновані на вимірі світності галактик в інфрачервоному діапазоні, які вказують на вік Всесвіту близько 20 млрд. років (Но=100 км/с*Мпс).

Ще пізніше, в 1980 г., Ж. М. Люк, Ж. Л. Бирк і Ш. Ж. Альянд з Паризького університету опублікували результати аналізу знайденого метеоритах радіоактивного елемента ренію, який має дуже великі період піврозпаду (половина будь-якого кількості цього елемента розпадається, перетворюючись на осмій, протягом 60 млрд. років). Порівнюючи кількості ренію і осмію в речовині метеоритів і вважаючи у своїй, що реній утворився при вибухи наднових на етапі еволюції Всесвіту, ці вчені встановили, що вік Всесвіту, очевидно, становить від 13 до 22 млрд. лет.

Отже, хоча б сьогодні більшість астрономів і сходяться в думці, що значення Але має відповідати віку Всесвіту, рівному приблизно 18 млрд. років, із цього питання як і є великі розбіжності, і досі пір неможливо порівняти вік Всесвіту, наступний з закону Хаббла, із віком окремих складових частин Всесвіту, щоб в такий спосіб оцінити рівень уповільнення розширення Вселенной.

Яка доля очікує вічно расширяющуюся.

Вселенную?

Якщо наш Всесвіт буде необмежено розширюватися — а звідси свідчать майже всі дані спостережень, — те, що її чекає у майбутньому? У міру розширення простору матерія стає дедалі розрідженій, галактики і скупчення дедалі більше видаляються друг від друга, а температура фонового випромінювання неухильно наближається до нуля. Згодом всі зірки завершать свій життєвий цикл і перетворяться або у білих карликів, остывающих до холодних чорних карликів, або у нейтронні зірки або чорні діри. Ера світного речовини закінчиться, і темні маси речовини, елементарних частинок і холодного випромінювання будуть безглуздо розлітатися в безупинно разрежающейся пустоте.

Втім, чорні діри залишаться без роботи. Маючи те що досить часу, чорні діри поглинуть дуже багато речовини Всесвіту. Якщо теорія Хокінга правильна, то чорні дірки будуть випускати випромінювання, але чорним дірам з безліччю Сонця знадобиться дуже тривалий час, як це щось помітно змінить. Фонове випромінювання охолоне набагато швидше, ніж чорні діри почнуть випромінювати більше, що вони будуть поглинати від цього фонового випромінювання. Такий момент настане тільки тоді ми, коли вік Всесвіту стане приблизно десять мільйонів разів більше гаданого на сьогодні. Повинен минути близько 1066 років, як чорні діри сонячної маси почнуть вибухати, викидаючи потоки частинок і излучения.

Дж.Б.Берроу з Оксфордського університету та Ф. Тип-лер з Каліфорнійського університету намалювали таку картину віддалене майбутнє необмежено розширення всесвіту. Навіть всередині старої нейтронної зірки зберігається ще чимало енергії, щоб раз у раз повідомляти частинкам, які є поблизу його поверхні, швидкість, перевищує швидкість утікання; передбачається, у результаті цього через досить тривалий час все речовина нейтронної зірки має випаруватися. Розпадуться і чорні діри, викликавши народження (порівну) частинок і складу. На думку Берроу і Типлера, якщо запас енергії у Всесвіті достатній лише тим, щоб забезпечити її необмежене розширення, то ефект електричного тяжіння в электронно-позитронных парах переважить і гравітаційне тяжіння, і несе спільний розширення Всесвіту як цілого; тому за кінцеве час усе електрони проаннигилируют з усіма позитронами. У остаточному підсумку останньої стадією існування матерії виявляться не разлетающиеся холодні темні тіла чи чорне діри, а неозоре море розрідженого випромінювання, остывающего до кінцевої, всюди однаковою, температуры.

Друге початок термодинаміки пророкує, що кінець Еволюції Всесвіту настане, коли вирівняється температура її речовини — оскільки тепло передається з більш теплих тіл до холоднішим, відмінність їх температур згодом згладжується й «учинення роботи стає неможливим. Ця думка про «теплової смерті» Всесвіту пролунала ще 1854 г. Германом Гельмгольцем (1821−1894). Цікаво відзначити, що зараз сучасне уявлення про необмежено розширення Всесвіту разом із концепцією квантового випромінювання чорних дір, засновану на аналогії між гравітацією і термодинамікою, сутнісно, привело, лише трохи більше кружним шляхом, на висновках, зробленою Гельмгольцем.

Не знаємо з упевненістю, який може бути результат протиборства розширення Всесвіту роздивилися й гравітаційного тяжіння її речовини. Якщо переможе тяжіння, Всесвіт коли-небудь сколлапсирует у процесі Великого стискування, котрий може виявитися або кінцем її існування, або прелюдією до новому циклу розширення. Бел" ж сила тяжіння програють бій, то розширення триватиме необмежено довго, але з тих щонайменше гравітація відіграватиме істотну роль визначенні остаточного стану речовини Всесвіту: стане воно безбережним морем однорідної випромінювання або ж буде розсіюватися безліччю темних холодних мас. У незрозумілому далекому майбутньому пройшла епоха зоряної активності може видатися лише найкоротшим миттю у нескінченному життя Вселенной.

То, ж Всесвіт приречена вічне розширення? Поки що всі дані кажуть саме звідси, хоча не можна без болю думати скоріш про перетворення нашого дивного і найскладнішого світу у безформну темну порожнечу. Повидимому, багатьом було б воліють пульсуюча модель, яка дає надію відродження нехай не живих істот, але з крайнього заходу такі звичні нам речей, як речовина і випромінювання. Проте, що ми починав", це змінить ні щільності космічного речовини, ні долі космосу — нам залишається сприймати його таким, який вона є: Всесвіт не выбирают.

Список використаної літератури: 1. І. Ніколсон. Тяжіння, чорні діри і Всесвіт. 1983 г. 2. І. Д. Новиков. Чорні діри і Всесвіт. 1985 р. 3. І. Д. Новиков. Еволюція Всесвіту. 1982 г. 4. Дж. Силк. Великий вибух. Народження і еволюція Всесвіту. 1982 г.