Реферат з астрономії:

Проблеми походження Всесвіту. Гіпотеза великого вибуху.

Ульянової Анастасії, 11а класу, гімназії № 248

2001

Проблема початку всесвіт, подібна старому питанню: < p> Що було першим курка чи яйце. Іншими словами, яка силастворила всесвіт. І що створило цю силу. Чи можливо, всесвіт, абосила, що створювало все це, існували завжди, і не мали початку.

Аж до недавнього часу, учені мали тенденцію не торкатисятаких питань тому, що вони належали до метафізики чи релігії, а недо науки.

Тим не менш, останнім часом виникло вчення про те, що Закони
Науки можуть бути навіть на початку всесвіту. У цьому випадку, всесвіт мігвизначатися цілком Законами Науки.

Багато ранніх традицій, Єврейська, Християнська й Ісламська релігії,вважали що всесвіт створився досить недавно. Наприклад, Єпископ Ушер обчислив дату в чотири тисячі чотириста років, для створення всесвіту,додаючи вік людей у Старому Завіті. Фактично, дата біблійногостворення не так далека від дати кінця останнього Льодовикового Періоду, колиз'явилася перша сучасна людина.

З іншого боку, деякі люди, як наприклад, Грецький філософ
Арістотель, Декарт, Ньютон, Галилей не визнавали ідею про те, щовсесвіт мав початок. Вони відчували, що це могло бути. Але вонивважали за краще вірити в те, що всесвіт існував, і повинна булаіснувати завжди тобто вічно і нескінченно.

Всесвіт був власне кажучи немінливй в часі. Час абсолютнийоднорідний і синхронізовано. У будь-якій точці всесвіту він однаковий.
Простір теж однорідний і изотропно. Масштаб, однаковий у будь-якій точцівсесвіту. Чи вона була створена у своїй дійсній формі, чи вонаіснував завжди, подібно сьогоднішньої. Це було природне переконання втой час, оскільки людське життя, насправді, дуже короткийвідрізок історії, що всесвіт значно не змінив у порівнянні звіком самого всесвіту. У статичне, немінливе всесвіту, питання проте, що всесвіт існував завжди, чи створилася в минулому, --дійсно матеріал для чи метафізики релігії: кожна теорія могла бвзяти до уваги такий всесвіт.

Насправді, у 1781, філософ, Иммануил Кант, написав незвичайну ідуже неясну роботу, Критику Чистого Розуму. Там, він вирішив, що булиоднаково правильні доводи, обоє для віри, що всесвіт мав початок, ідля віри ж, що його не було. Як говорить його назва, його висновки булизасновані просто на причині. Іншими словами, вони не узяли в рахунок спостереженняпро всесвіт. Врешті-решт, у немінливому всесвіту, чи щоспостерігати?

такий спосіб перед ученими вставала проблема вибору між вірою вбога і матеріальну віру. Вони ще не знали першопричин походженнявселеної, тому що у них не було в той час достатньої наукової бази. Віра в
Бога була більш краща. Історично християнство було старше чимнаука і природно деякі сприймали науку серйозно, але з часомвона набирала силу і всі частіше люди повертали голову в її бік.

Таємниця в науці - це те, що наука не може пояснити, як вона неможе пояснити те, що було до великого вибуху. Адже все, що відбувалосядо моменту виникнення всесвіту, точки сингулярності, не обговорюється -це догма. А непізнане в науці - це та таємниця, що найближчим часомне може бути розкрита.

У 19-і сторіччі підтвердження початку всесвіт накопичувалися. Земля іінша частина всесвіт, фактично змінилися згодом. З одногобоку, геологи зрозуміли що утворення скель, і копалин у них, маловік чи сотні тисячі мільйонів років. Це було набагато більш довгимтерміном, чим вік Землі, відповідно до Християнства.

З іншого боку, німецький фізик, Больцман, вивів так званий
Другий Закон Термодинаміки. Він вказує на те, що загальна сумабезладно рухаються часток у всесвіті (який вимірюється кількістющо називається ентропія), завжди збільшується згодом. Це,припускає, що всесвіт міг бути в стиснутому стані тільки в одинчас у крапці початку. У противному випадку, всесвіт повинний вироджуватися встан повного безладдя з однаковою температурою.

Інші труднощі з ідеєю статичного всесвіту були в тому, щовідповідно до Закону Сили Ваги Ньютона, кожна зірка у всесвіті повиннийпритягатися до кожної іншої зірки. Те як вони могли б залишитися напостійній відстані від один одного? Чи не будуть вони усі разом падати?
Ньютон був обізнаний про цю проблему про зірки, що залучають один одного.
У листі до Ричарда Бентли, що веде філософу того часу, він погодився,що кінцеве скупчення зірок не може залишитися нерухомим: вони б усіупали разом, у деякій центральній крапці. Проте, він посперечався, щонескінченне скупчення зірок, не повинне падати разом: для них не було бцентральної крапки, щоб туди впасти. Цей аргумент є прикладомпасток, одну з яких ми можемо зустріти, коли одні говорять пронескінченні системи. Використовуючи інші шляхи, щоб додати силу в кожнійзірці, з нескінченної кількості інших зірок у всесвіті, одного разу миможемо одержати інші відповіді на питання: вони можуть залишатися на постійнійвідстані від один одного. Ми тепер знаємо, що правильна методика повиннарозглядати випадок початкової крапки, відкіля відбувся світ.

Незважаючи на цих труднощів з ідеєю статичної і немінливийвселенной ніхто в сімнадцятого, вісімнадцятого, дев'ятнадцятого чи ранніхдвадцятих сторіччях, не вважав що вселенная могла розвиватися згодом.
Ньютон і Ейнштейн, обоє пропустили шанс предсказывания, що всесвіт мігби чи скорочуватися, чи розширюватися. Не можна дійсно ставити цепроти Ньютона, через те, що він жив двісті п'ятдесят років передвідкриттям розширення всесвіт. Але Ейнштейн повинен був знати це краще.
Коли він сформулював Теорію Відносності, щоб перевірити теорію
Ньютона з його власною Спеціальною Теорією Відносності, він додавтак називану, "космічну константу''. Це являло собоювідштовхуючий гравітаційний ефект, який міг би балансувати ефектпритягання матеріалу у всесвіті. Таким чином, було можливо матистатичну модель всесвіту.

Ейнштейн пізніше сказала: космічна константа була найбільшою помилкоюмоєму житті. Це відбулося після спостережень віддалених галактик, Едвіном
Хабблом в 1920 році, і показало, що вони переміщаються далеко від нас, зішвидкостями, що були приблизно пропорційними їх відстані віднас. Іншими словами, всесвіт не статична, як колись було прийнятодумати: вона розширюється. Відстань між галактиками зростає зічасом.

У 1929 році Хаббл відкриває ефект так званий ефект «червоногозсуву ». Він стверджує, що у всіх спектрах усіх що спостерігаютьсягалактик він бачить червоне підсвічування в частині спектра. Він брав у прикладспостерігача, що коштує біля джерела світла, що чи віддалявсянаближався. При видаленні джерела світла ми спостерігаємо червоне світлоспектра, а при наближенні-фіолетовий. джерело світла h - довжина хвилі нерухомого джерела світла h'-довжина хвилі рухається джерела світла h '/ h = 1 + V/C якщо V> 0 то h'> h

V = HR - Закон Хаббла де R-відстань до досліджуваної галактики
H-постійна Хаббла
V-швидкість разбегания галактики

H = 15 км/с на 1млн.світлового років

Це означає, що всі галактики від нас віддаляються. Але наука, як недивно, забула про це до 1964 року. І лише в 1964 році вчені Пензіас і
Вільсон відкривають ефект «реліктового тла». Вони стверджують, що у всіхкрапках всесвіту спостерігається постійний і однорідний шум-реліктовий фонрівний 3 градусів К.

Це означає, що галактики віддаляються з визначеною швидкістю. А якщовони віддаляються, значить була і початкова точка відліку.

Ці два незаперечних і цілком доведених факти підтверджують теорію
Великого Вибуху. Значить початок були і всі ранні наукові догми по проблеміпочатку всесвіт цілком спростовуються. З цього моменту наукове поняттяпочатку всесвіт прийшло в деяку згоду з християнською точкою зоруна це питання. Адже християни також вважають, що початок був, але правда вних початком був БОГ і він же створив всесвіт.

На початку Бог створив небо й землю. А земля була пуста та порожня,і темрява була над безоднею, і Дух Божий ширяв над поверхнею води. І сказав Бог: так будесвітло. І сталося світло. І побачив Бог світло, що добре воно, і Бог відділив світло відтемряви. І Бог назвав світло: День, а темряву назвав: Ніч. І був вечір, і був ранок, деньодин. 6 І сказав Бог: Нехай станеться твердь посеред води, і нехай відділяє вона між водоювід води. [І стало так.] І створив Бог твердь, і відділив воду, що підтвердю вона, і воду, що над твердю. І сталося так. І назвав Бог твердьнебом. [І побачив Бог, що це добре.] І був вечір, і був ранок, деньдруге. І сказав Бог: Нехай збереться вода з-попід неба до місця одного,і нехай суходіл стане видний. І сталося так. [І зібралася вода під небом у свої місця, із'явилася суша.] І назвав Бог суходіл: Земля, а місце зібрання води назвав: Море. ІБог побачив, що це добре. І сказав Бог: Нехай земля вродитьтраву, що сіяє насіння [по роду і за подобою її, і] дерево плідне,що за родом своїм плід, що насіння його на землі. І сталося так.
І земля зелень, траву, що сіяє насіння по роду [і по подобі] її, ідерево [плідне], що приносить плід, що насіння його по роду його [наземлі]. І Бог побачив, що це добре. І був вечір, і був ранок, деньтретій. І сказав Бог: Нехай будуть світила на тверді небесної [для висвітленняземлі і] для відділення дня від ночі, і стануть знаками, і часів, і днів, іроків, і нехай вони стануть на тверді небесній, щоб світити наземлю. І сталося так. І створив Бог два світила великі, світило велике, щобкерувало днем, і світило мале, щоб керувало ніччю, і зорі, іБог умістив їх на тверді небесній, щоб світити на землю, і керувативдень і вночі, і відокремлювати світло від темряви. І Бог побачив, що це добре. І буввечір, і був ранок, день четвертий. І сказав Бог: Нехай водаплазунів, душу живу, і птаство, що літає над землею під твердінебесної. [І стало так.] І створив Бог риби великі, і всяку душу живуплазунів, що її вода, за родом його, і всяку пташину крилатуза родом її. І Бог побачив, що це добре. І поблагословив їх Бог, кажучи:Плодіться і розмножуйтеся, і наповнюйте воду в морях, і птаство,розмножуються на землі. І був вечір, і був ранок, день п'ятий. І
сказавБог: Нехай видасть земля живу душу за родом її, худобу, і гадів, і звірівзвірину за родом її. І сталося так. І створив Бог земну звірину за родом її, іхудобу за родом її, і всіх гадів земних по роду їх. І Бог побачив, що цедобре. І сказав Бог: створимо людину за образом Нашим [і] за подобою
Нашою, і хай панують над морською рибою, і над птахаминебесними, [і над звірами,] і над худобою, і над всією землею, і над усімагадами, що плазують по землі. І створив Бог людину за образом
Своїм, за образом Божим створив, як чоловіка та жінку створив їх. Іпоблагословив їх Бог, і сказав Бог до них: Плодіться і розмножуйтеся, інаповнюйте землю, оволодійте нею, і пануйте над морською рибою [інад звірами,] і над птахами небесними, [і над усякою худобою, і над всієюземлею,] і над усякою твариною, що плазує по землі. І сказав Бог:Ось Я дав вам всяку траву, що сіяє насіння, яка є на всій землі, ікожне дерево, що на ньому плід деревний, що сіяє насіння; - вам це буде вїжу; а всім звірам земним, і всім птахам небесним, і всякому [плазуна,]плазує по землі, що душа в ньому жива, дав Я всю зелень травну вїжу. І сталося так. І побачив Бог усе, що Він створив, і ось, вельми добре воно.
І був вечір, і був ранок, день шостий.

Бог створив світ за шість днів, але якщо виходити з теорії Великого
Вибуху вік утворення всесвіт дорівнює приблизно 15-20 млрд. років. Заразтеоретичні фізики намагаються як би згорнути всесвіт, щоб точнішедізнатися про її вік. Але для нас же важливий сам факт, що всесвіт мавпочаток.

Історія Всесвіту відповідно до стандартної моделі

Великого вибуху

У нульовий момент часу Всесвіт виник з сингулярності. УПротягом першого мільйонної частки секунди, коли температура значноперевищувала 1012К, а щільність була неймовірно велика, повинні були неймовірношвидко змінювати один одного екзотичні взаємодії, недоступнірозумінню в рамках сучасної фізики. Ми можемо лише роздумувати над тим,Які ті перші миті; наприклад, можливо, що чотирифундаментальні сили природи були спочатку злиті воєдино. Однак єпідстави вважати, що до кінця першого мільйонної частки секунди вжеіснував первинний «бульйон» багатих енергією ( «гарячих») частоквипромінювання (фотонів) і часток речовини. Ця сама взаємодіє масаперебувала у стані так званого теплового рівноваги.

У ті перші миті все були частки повинні були безперервновиникати і анігілювати. Будь-яка матеріальна частка має деякумасу, і тому для її утворення потрібна наявність певної
«Порогової, енергії»; поки щільність енергії фотонів залишалася діставшиточно високою, могли виникати будь-які частинки. Ми знаємо також, що, количастинки народжуються з гамма-випромінювання (фотонів високої енергії), вонинароджуються парами, що складаються з частки і античастинки, наприклад електрона іпозитрона. В умови надщільного стану матерії, характерного дляраннього етапу життя Всесвіту, частинки і античастинки повинні були негайно жпісля свого народження знову зіштовхуватися, перетворюючись в гамма-випромінювання.
Це взаємне перетворення частинок у випромінювання і назад продовжувалося до тихпір, поки щільність енергії фотонів перевищувала значення порогової енергіїосвіти часток.

Коли вік Всесвіту досяг однієї сотої долі секунди, їїтемпература впала приблизно до 1011К, ставши нижче граничного значення, приякому можуть народжуватися протони і нейтрони, але деякі з цих частинок все -таки уникли взаємної анігіляції зі своїми античастинками - інакше всучасної нам Всесвіті не було б речовини! Через 1 с після Великоговибуху температура знизилася приблизно до 1010К, і нейтрино, по суті,перестали взаємодіяти з речовиною: Всесвіт стала практичнопрозорою для нейтрино. Електрони і позитрони ще продовжувалианігілювати і виникати знову, але приблизно через 10с рівень щільностіенергії випромінювання впав нижче і їх порога, і величезна кількість електронів іпозитронів перетворилося на випромінювання в катастрофічному процесі взаємноїанігіляції, залишивши після себе лише незначна кількість електронів,достатнє, однак, для того, щоб, об'єднавшись з протонами інейтронами, дати початок тієї кількості речовини, яке ми спостерігаємосьогодні у Всесвіті.

Судячи з усього, повинна була існувати певна диспропорція міжчастинками (протонами, нейтронами, електронами і т. д.) і античастинками
(антипротона, Антинейтрон, позитронно і т. д.), тому що всі частинки
(а не тільки всі античастинки) зникли б у процесі анігіляції. Унавколишнього нас частині Всесвіту речовини незрівнянно більше, ніжантиречовини, яке лише зрідка зустрічається у вигляді окремих античастинок.
Не виключено, звичайно, що на ранній стадії еволюції Всесвіту в ній булиобласті, де домінувало речовина, і області з переважанням антиречовини
- В цьому випадку можливе існування зірок і цілих галактик, що складаються зантиречовини; на великих відстанях вони були б не відрізняються від звичнихнам зір і галактик з речовини. Однак у нас немає ніяких свідоцтв вкористь цього припущення, тому більш розумним здається вважати, що зсамого початку виник невеликий, але помітний дисбаланс частинок і античастинок.
В даний час розробляється ряд теорій, в яких такий дисбалансзнаходить цілком природне пояснення.

Через 3 хв після Великого вибуху температура Всесвіту знизилася до
109К і виникли відповідні умови для утворення атомів гелію: на цебули витрачені практично всі були в наявності нейтрони. Черезприблизно ще хвилину майже вся речовина Всесвіту складалося з ядер воднюі гелію, що знаходилися приблизно в тій же кількісної пропорції, яку миспостерігаємо сьогодні. Починаючи з цієї миті, розширення первинного вогняногокулі відбувалося без суттєвих змін до тих пір, поки через 700000років електрони і протони не з'єдналися в нейтральні атоми водню, тоді
Всесвіт стала прозорою для електромагнітного випромінювання - виникло те,що зараз спостерігають як реліктове фо?? овое випромінювання.

Після того, як речовина стала прозорою для електромагнітноговипромінювання, в дію вступило тяжіння: воно почало переважати над усімаіншими взаємодіями між масами практично нейтральної речовини,що становив основну частину матерії Всесвіту. Тяжіння створилогалактики, скупчення, зірки і планети - всі ці об'єкти утворилися зпервинного речовини, яка, у свою чергу, виділилося з швидкоостигає і втрачає щільність первинного вогняної кулі; тяжінню жналежить визначити шлях еволюції і результат життя всього Всесвіту в цілому.
Тим не менш, багато питань, що стосуються епохи, що пішла за епохоювідділення випромінювання від речовини, що залишаються поки без відповіді, зокрема,залишається невирішеним питання формування галактик і зірок. Утворилися чигалактики раніше першого покоління зірок чи навпаки? Чому речовиназосередилося в дискретних утвореннях - зірках, галактиках, скупченняхі сверхскопленіях, - коли Всесвіт як ціле розліталася в різністорони?

Є два основні погляди на проблему формування галактик. Першийполягає в тому, що в будь-який момент часу на зростаючій суміші речовини івипромінювання могли існувати випадково розподілені області з щільністювище середньої. У результаті дії сил тяжіння ці області спочаткувідокремилися у вигляді дуже протяжних згустків речовини, в яких потімпочався процес фрагментації, що привів до утворення хмар меншихрозмірів, які пізніше перетворилися на скупчення та окремі галактики,спостерігаються сьогодні. Далі в цих менших - галактичних розмірів --згустках знову ж таки під дією тяжіння у випадкових неоднорідностяхщільності почалося формування зірок. Існує й інша точка зору нахід розвитку подій: спочатку з флуктуацій щільності в розширюєтьсяпервинному кулі сформувалися численні (малі) галактики, які зплином часу об'єдналися в скупчення, в сверхскопленія і, можливо,навіть у більш великі ієрархічні структури.

Головним пунктом у цій суперечці є питання, чи мав процес Великоговибуху вихровий, турбулентний, характер або протікав більш гладко.
Турбулентності в великомасштабної структурі сьогоднішньої Всесвітувідсутні. Всесвіт виглядає дивно згладженої у великих масштабах;незважаючи на деякі відхилення, в загалом далекі галактики і скупченнярозподілені по всьому небу найвищою мірою рівномірно, а ступіньізотропності фонового випромінювання також досить висока (вище, ніж 1:3000).
Всі ці факти, мабуть, говорять про те, що Великий вибух був безвіхревим,упорядкованим процесом розширення. Але звідки ж у такому разі виниклифлуктуації щільності, що стали пізніше галактиками? Вирішення цього питанняускладнюється тим, що ми не маємо в своєму розпорядженні даними спостережень,відносяться до критичного моменту освіти зоряних систем;

Відповідно до загальноприйнятої точки зору, мікрохвильове фонове випромінюваннядає нам інформацію про ту епоху, коли вік Всесвіту налічувавприблизно 700 000 років, чому відповідає червоний зсув близько 1000. Самийдалекий від нас квазар має зсув 3,6, тобто спостережуваний світ цьогоквазара був іспущен їм, коли вік Всесвіту становив трохи менше 2млрд. років. У проміжку часу від 700 000 до 2 млрд. років у Всесвітімало статися багато чого, у тому числі сформувалися галактики. Тим неменше, останні дані, швидше за все, свідчить на користь другого здвох згаданих вище гіпотез, згідно з якою освіта галактикпередувало формуванню скупчень і сверхскопленій.

Успішне пояснення ряду явищ за допомогою моделі Великого вибухупризвело до того, що, як правило, не викликає сумніву реальністьпоходження мікрохвильового фонового випромінювання з розширенняпервинного вогняної кулі в той момент, коли речовина Всесвіту сталопрозорим. Можливо, однак, що це дуже просте пояснення. У 1978р., намагаючись знайти обгрунтування для контрольованого співвідношення фотонів ібаріонів (Баріони - «важкі» елементарні частинки, до яких, зокрема,відносяться протони і нейтрони) - 108:1, - М. Рис висловив припущення, щофонове випромінювання може бути результатом «епідемії» освіти масивнихзірок, що почалася відразу після відділення випромінювання від речовини і до того,як вік Всесвіту досяг 1 млрд. років. Тривалість життя цихзірок не могла перевищувати 10 млн. років; багатьом з них було призначено пройтистадію наднових і викинути в простір важкі хімічні елементи,які частково зібралися в крупиці твердої речовини, утворивши хмариміжзоряного пилу. Цей пил, нагріта випромінюванням догалактіческіх зірок,могла, у свою чергу, випромінювати інфрачервоне випромінювання, яке в силу йогочервоного зсуву, викликаного розширенням Всесвіту, що спостерігається зараз якмікрохвильове фонове випромінювання.

Ця точка зору не отримала широкого визнання, проте цікавовідзначити, що в 1979 р. Д. П. Вуді і П. Л. Річарда з Каліфорнійськогоуніверситету опублікували результати спостережень, наче вказують надеякі відхилення характеристик мікрохвильового фонового випромінювання відкривий випромінювання абсолютно чорного тіла: крива фонового випромінювання виглядає
«Гостріше», чим їй варто було б бути. Пізніше в тому ж році М.Роуен-Робінсон,
Дж.Негропонте і Дж.Сілк (Коледж королеви Марії, Лондон) вказали, що
«Горб» на кривій мікрохвильового випромінювання, виявлений Вуді і Річардсом,може бути пояснений випромінюванням пилових хмар, що утворилися слідом за
«Епідемією» масового формування зірок, що відповідає гіпотезі М.
Риса. Поки що рано говорити, чи витримає ця нова ідея подальший аналіз, алеякщо вона відповідає істині, то це означає, що переважна кількістьвсієї маси Всесвіту міститься в невидимих залишках зірок первинного,догалактіческого, покоління і в даний час може знаходитися в масивнихтемних гало, що оточують яскраві галактики, які ми спостерігаємо сьогодні.

Антропний принцип.

Перейдемо тепер до ще однієї, не менш цікавої теорії виникненнясвіту. Це Антропний принцип. У чому його суть?

Антропний (людський) принцип першим сформулював у 1960 році
Иглис Г.І. , Але він є як би неофіційним його автором. А офіційнимавтором був учений на прізвище Картер.

Антропний принцип говорить про те, що на початку всесвіту був плансвітобудови, вінцем цього плану є виникнення життя, а вінцемжиття-людин. Антропний принцип дуже добре укладається в релігійнуконцепцію програмування життя.

Антропний принцип стверджує, що всесвіт така, яка вона єтому, що є чи спостерігач же він повинний з'явитися на визначеномуетапі розвитку. На доказ вищевикладеного творці цієї теоріїприводять дуже цікаві факти. Це Критичність Фундаментальних Констант і
Збіг Больших Чисел.

Розглянемо перший факт.

Фундаментальними константами називаються швидкість світла-З постійна планка-h заряд електрона-е маса електрона-наш маса протона-MР маса нейтрона-mn середня щільність у всесвіті-гравітаційна постійна-електромагнітна постійна-до

Виходячи з цих констант знайшли їхній взаємозв'язок: між масою протона, електрона і нейтрона: MР - mn> me

me = 5, 5x10 г/моль

mp-mn = 13,4 x10 г/моль

а також критичність значень щільності у всесвіті:

q = 10 г/см

якщо q> 10, то всесвіт пульсуюча

якщо q