Курганська державна сільськогосподарська академія ім. Т. С. Мальцева

Кафедра концепції сучасного природознавства

Походження Всесвіту

Теорія Великого вибуху

Виконав: студент I курсу, еконо - мічного факультету, I групи, I підгрупи Аленькін Костянтин

Перевірив: Калинин С.С.

Лесніково 1999

План:
1. Історія Всесвіту відповідно до стандартної моделі Великого вибуху.
2. Майбутнє Всесвіту.
3. Яка доля очікує вічно розширюється Всесвіт?
Список використаної літератури.

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 самовзаімодействующая 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-випромінення (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 цього моменту, 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 фонове 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.

Майбутнє Всесвіту

Залишаючи осторонь спірне питання, що стосується освіти галактик,подивимося, що говорять сучасна теорія і дані спостережень щодомайбутнього розвитку Всесвіту і її ймовірного кінця.

Поза всяким сумнівом, саме гравітаційне взаємодія визначитьподальший хід подій. Чи достатньо у. Всесвіті речовини для того,щоб сили тяжіння в кінцевому рахунку зупинили процес розширення ізмусили галактики знову почати падати один на одного, в результаті чого
Всесвіт закінчила б своє існування в такого собі «Великому стисненні». Або жнавпаки. Всесвіт буде розширюватися нескінченно?

Процес розширення Всесвіту можна розглядати, використовуючи вжезнайоме нам поняття швидкості тікання. Відповідно до закону всесвітньоготяжіння Ньютона, ефективна гравітаційна сила, яка діє на частинку,що знаходиться всередині порожній сферичної оболонки, дорівнює нулю-. тяжіння,викликається різними частинами оболонки, взаємно компенсується. Те ж маємісце і в загальній теорії відносності. Отже, якщо вибрати длядослідження типову сферичну область Всесвіту, то все інше можнавважати полою товстостінній оболонкою, розташованої поза що цікавить насобласті, оскільки в силу космологічного принципу всі напрямки у
Всесвіту рівноправні, а речовина в ній розподілено рівномірно. Тодіможна припустити, що на галактику, розташовану біля краю вибраної намиобласті, діють сили тяжіння лише з боку речовини, що знаходитьсяусередині вибраної сфери. Якщо ця речовина розподілено рівномірно, тогалактика буде притягатися до центру сфери так, як якщо б там булазосереджена вся укладена всередині сфери маса. У своєму русіщодо центру сфери ця «пробна» галактика повинна вести себе, якснаряд, випущений «назовні» з цієї точки. Якщо швидкість галактикидосить велика, тобто якщо вона перевищує швидкість тікання, характернудля цієї сферичної області, то галактика буде продовжувати свій рухвічно (відкрита всесвіт), але якщо швидкість галактики недостатня, то вонаврешті-решт зменшиться до нуля, після чого галактика почне рухатися доцентру сфери (замкнута всесвіт).

Знаючи швидкість розбігання галактик - вона визначається значеннямпостійною Хаббла, - можна оцінити необхідну величину маси, якаповинна міститися в даному обсязі простору, щоб розширення колисьприпинилося, інакше кажучи, потрібно розрахувати середнє значення щільностіречовини, яка забезпечила б існування замкнутої всесвіту. Якщовиявиться, що середня щільність речовини перевищує деяке значення,зване критичної щільністю, то Всесвіт через якийсь час повиннаперестати розширюватися - тоді поле битви залишиться за силами тяжіння іколапс речовини Всесвіту буде неминучим.

Беручи Але = 55 км/с * Мпс, знаходимо, що значення критичної щільностіприблизно дорівнює 5-10-27 кг/м3, або в середньому приблизно 3 атома водню в 1м3 - це дуже мало! За такої щільності Всесвіт повинна бути дужевеликий, а речовина в ній - дуже розрідженим. Визначення середньоїщільності речовини у Всесвіті - одна з найважливіших завдань сучасноїастрономії.

Інший спосіб з'ясування, відкрита або замкнута Всесвіт, полягає вбезпосередньому вимірюванні уповільнення розширення, тобто у вимірівеличини, відомої під назвою параметра уповільнення qо. Здійснюючиспостереження дуже віддалених об'єктів, ми як би подорожуємо в часі вдалеке минуле, коли - якщо вірна теорія Великого вибуху - Всесвітрозширювалася швидше, ніж зараз. У принципі, проводячи вимірювання в дужеширокому інтервалі відстаней до галактик і їх червоних зміщень, можнавиявити відхилення від закону Хаббла аж до самих віддалених зорянихсистем. Але на практиці цей метод не дав, принаймні на сьогоднішнійдень, що узгоджуються між собою надійних результатів. Тут залишається щебагато труднощів, включаючи проблему правильної оцінки відстаней іможливість невідомих поки процесів еволюції: наприклад, цілком можливо,що минулого галактики мали більшу світність, ніж зараз, але питання вте, наскільки велику? Щоб визначити, чи є наш Всесвітвідкритої або замкнутої, необхідно досліджувати об'єкти з червоним зміщеннямвище 0,5, а це відповідає відстаней, які значно перевищують ті, наяких можна побачити звичайні галактики (положення може змінитикосмічний телескоп, виведений на орбіту навколо Землі, створення якогопланується на 80-і роки). Ясно, що в якості об'єктів дослідженняслід взяти квазари, але в їх природі, еволюції і відстанях до нихЗанадто багато неясного, так що надійність отриманих результатів залишаєтьсяпоки сумнівною. На сьогоднішній день ми маємо в своєму розпорядженні наглядовимиданими, що свідчать на користь як відкритої, так і замкнутої моделі.

Вживалися також спроби визначати вік Всесвіту різнимиметодами та порівнювати його з хаббловскім часом - тим віком, щомала б Всесвіт, якби не було уповільнення розширення (близько 18 млрд. років при
Але = 55 км/с * Мпс). Оцінки віку найстаріших зірок у кульових скупченнях,робилися на основі їх хімічного складу з використанням сучаснихтеорій зоряної еволюції, дали значення в інтервалі 8-18 млрд. років, тодіяк метод радіоактивної датування дає набагато меншу цифру - близько 6млрд. років. У 1978р. Д. Казанас і Д. Н. Шрамм із Чиказького універсітета,грунтуючись на даних своїх спостережень, прийшли до висновку, що найкращепогодитися з відомими фактами вік Всесвіту має становити 13,5 -
15,5 млрд. років, що відповідає відкритою, вічно розширюється всесвіту.

З іншого боку, в 1977р. Д.Лінден-Белл в Кембриджі набув значення
Але, приблизно рівна 110 км/с * Мпс, спираючись при цьому на своїй моделі,розробленої для пояснення удаваного разбегания з сверхсветовимішвидкостями радіокомпонентів деяких квазарів. Це значення Але, якщо воно,звичайно, мабуть, має означати, що визначається із закону Хаббла вік
Всесвіту складає всього 9 млрд. років, а ця величина знаходиться на межіпротиріччя з віком, найбільш старих з відомих зірок.

Якщо взяти до уваги уповільнення швидкості розбігання галактик (тобторозширення Всесвіту), то виникає істотна проблема, як «пов'язати»цей вік з найпростішою моделлю Великого вибуху. У результатах,опублікованих Д. Хейнс в 1979р. в Кембриджі, хаббловскій вік
Всесвіту оцінюється в 13 млрд. років, а в тому ж році М. Ааронсом в
Стьюартской обсерваторії, Дж.Хучра в Гарвардському університеті та Дж.Моулд в
Національної обсерваторії Кіт-Пік опублікували результати, засновані навимірі світності галактик в інфрачервоному діапазоні, які вказуютьна вік Всесвіту близько 10 млрд. років (Но = 100 км/с * Мпс).

Ще пізніше, у 1980р., Ж. М. Люк, Ж. Л. бирки і Ш. Ж. Альянд з Паризькогоуніверситету опублікували результати аналізу знайденого в метеоритахрадіоактивного елемента ренію, який має дуже великий періоднапіврозпаду (половина будь-якої кількості цього елементу розпадається,перетворюючись на осмій, протягом 60 млрд. років). Порівнюючи кількості ренію іосмію в речовині метеоритів і вважаючи при цьому, що реній утворився привибухах наднових на ранньому етапі еволюції Всесвіту, ці вченівстановили, що вік Всесвіту, мабуть, становить від 13 до 22млрд. років.

Отже, хоча сьогодні більшість астрономів і сходяться на думці, щоАле значення повинне відповідати віку Всесвіту, який дорівнює приблизно 18млрд. років, у цьому питанні як і раніше, є великі розбіжності, і до цихпір не представляється можливим порівняти вік Всесвіту, який випливає ззакону Хаббла, з віком окремих складових частин Всесвіту, щобтаким чином оцінити ступінь уповільнення розширення Всесвіту.

Яка доля очікує вічно розширюється

Всесвіт?

Якщо наш Всесвіт буде розширюватися необмежено - а про цесвідчать майже всі дані спостережень, - то що її чекає в майбутньому?
У міру розширення простору матерія стає все більш розрідженої,галактики і скупчення все більше віддаляються один від одного, а температурафонового випромінювання неухильно наближається до абсолютного нуля. З часомвсі зірки завершать свій життєвий цикл і перетворяться або в білихкарликів, остигає до стану холодних чорних карликів, або внейтронні зірки або чорні дірки. Ера що світиться речовини закінчиться, ітемні маси речовини, елементарних частинок і холодного випромінювання будутьбезглуздо розлітатися в безперервно розріджується порожнечі.

Втім, чорні дірки не залишаться без роботи. Маючи на те доситьчасу, чорні діри поглинуть величезна кількість речовини Всесвіту. Якщотеорія Хокінга вірна, то чорні дірки будуть випускати випромінювання, але чорнимдірок з масою Сонця буде потрібно дуже тривалий час, перш ніж цечто-то помітно змінить. Фонове випромінювання охолоне набагато раніше, ніжчорні дірки почнуть випромінювати більше, ніж вони будуть поглинати з цьогофонового випромінювання. Такий момент настане тільки тоді, коли вік
Всесвіту стане приблизно в десять мільйонів разів більше передбачуваного насьогодні. Має пройти близько 1066 років, перш ніж чорні дірки сонячноїмаси почнуть вибухати, викидаючи потоки часток і випромінювання.

Дж.Б.Берроу з Оксфордського університету і Ф.Тіп-лер з
Каліфорнійського університету намалювали таку картину віддаленого майбутньогонеобмежено розширюється всесвіту. Навіть всередині старої нейтронної зіркизберігається ще достатньо енергії, щоб час від часу повідомлятичастинок, що знаходяться поблизу її поверхні, швидкість, яка перевищує швидкістьтікання; передбачається, що в результаті цього через доситьтривалий час вся речовина нейтронної зірки повинно випаруватися.
Розпадуться і чорні дірки, викликавши народження (у рівних пропорціях) частинок іантичастинок. На думку Берроу і Тіплера, якщо запас енергії у Всесвітідостатній лише для того, щоб забезпечити її необмежене розширення,то ефект електричного тяжіння в електронно-позитронного парахпереважить і гравітаційне тяжіння, і загальне розширення Всесвіту якцілого; тому за кінцевий час всі електрони проаннігіліруют з усімапозитрона. Зрештою останньою стадією існування матеріївиявляться не розлітаються холодні темні тіла або чорні дірки, абезмежне море розрідженого випромінювання, остигаючого до кінцевої, всюдиоднаковою, температури.

Другий закон термодинаміки пророкує, що кінець Еволюції
Всесвіту настане, коли вирівняється температура її речовини - тому щотепло передається від більш теплих тіл до більш холодним, відмінність їхтемператур з часом згладжується і здійснення роботи стаєнеможливим. Ця думка про «теплової смерті» Всесвіту була висловлена ще в
1854г. Германом Гельмгольцем (1821-1894). Цікаво відзначити, що нашесучасне уявлення про необмежено розширюється Всесвіту разом зконцепцією квантового випромінювання чорних дір, яка заснована на аналогіїміж гравітацією і термодинаміки, по суті, привело, тільки більшкружним шляхом, до висновків, зроблених Гельмгольцем.

Ми не знаємо з певністю, який повинен бути результат протиборстварозширення Всесвіту і гравітаційного тяжіння її речовини. Якщо переможетяжіння, Всесвіт коли-небудь сколлапсірует в процесі Великого стиснення,яке може виявитися або кінцем її існування, або прелюдією донового циклу розширення. Бел »ж сили тяжіння програють бій, торозширення буде тривати необмежено довго, але тим не меншегравітація буде грати суттєву роль у визначенні остаточногостану речовини Всесвіту: чи стане воно безмежним морем однорідноговипромінювання або ж буде розсіюватися безліччю темних холодних мас. Унеясному далекому майбутньому минула епоха зоряної активності можездатися лише найкоротшим миттю в нескінченній життя Всесвіту.

То невже, же Всесвіт приречена на вічне розширення? Поки вседані говорять саме про це, хоча не можна без болю думати про перетвореннянашого дивного і складного світу в безформну темну порожнечу. За -Мабуть, багатьом була б більше до душі пульсуюча модель, яка дає надіюна відродження нехай не живих істот, але принаймні таких звичнихнам речей, як речовина і випромінювання. Однак, що б ми не робив »,це не змінить ні щільності космічного речовини, ні долі космосу - намзалишається приймати його таким, яким він є: Всесвіт не вибирають.

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