Походження всесвіту. Великий вибух

Курсова робота з предмету «Теоретичні основи прогресивних технологій »

Виконала: Білозерська Лариса Мірзоджоновна, Курс I

Московський державний відкритий університет, філія

р. Сафоново 2005

1. Введення .

Космологія -- це фізичне вчення про Всесвіт, що включає в себе теорію всього охопленого астрономічними спостереженнями світу як частини Всесвіту.

Найбільшим досягненням сучасної космології стала модель розширюється Всесвіту, названа теорією Великого вибуху.

Відповідно до цієї теорії, все що спостерігається простір розширюється. Але що ж було на самому початку? Всі речовина в Космосі в якійсь початковий момент було здавлене буквально в ніщо - спресований в одну-єдину точку. Воно мало фантастично величезну щільність - її практично неможливо собі уявити, вона виражається числом, в якому після одиниці коштують 96 нулів, - і настільки ж неймовірно високу температуру. Астрономи назвали такий стан сингулярність.

В силу якихось причин це дивовижне рівновагу було раптово зруйновано дією гравітаційних сил - важко навіть уявити, якими вони повинні були бути при нескінченно величезної щільності "первовещества"!

Цьому моменту вчені дали назву "Великої вибух ". Всесвіт почала розширюватися й охолоджуватися.

Слід зазначити, що питання про те, яким же було народження Всесвіту - "гарячим" або "холодним", - не одразу було вирішене однозначно і займав уми астрономів довгий час. Інтерес до проблеми був далеко не зайвим - адже від фізичного стану речовини в початковий момент залежить, наприклад, вік Всесвіту. Крім того, при високих температурах можуть протікати термоядерні реакції. Отже, хімічний складу "гарячої" Всесвіту повинен відрізнятися від складу "холодної". А від цього у свою чергу залежать розміри і темпи розвитку небесних тіл ...

Протягом кількох десятиліть обидві версії -- "гарячого" і "холодного" народження Всесвіту - існували в космології на рівних, маючи і прихильників, і критиків. Справа залишалося "за малим" - слід було підтвердити їх спостереженнями.

2. Реліктове випромінювання .

Сучасна астрономія на питання про те, чи існують докази гіпотези гарячої Всесвіту і Великого вибуху, може дати ствердну відповідь. У 1965 р. було зроблено відкриття, яке, як вважають вчені, прямо підтверджує те, що в минулому речовина Всесвіту було дуже щільним і гарячим. Виявилося, що в космічному просторі зустрічаються електромагнітні хвилі, які народилися в ту далеку епоху, коли не було ще ні зірок, ні галактик, ні нашої Сонячної системи.

Можливість існування такого випромінювання була передбачена астрономами набагато раніше. У середині 1940рр. американський фізик Джордж Гамов (1904-1968) зайнявся проблемами виникнення Всесвіту і походження хімічних елементів. Розрахунки, виконані Гамовим і його учнями, дозволили уявити, що у Всесвіті в перші секунди її існування була дуже висока температура. Нагріте речовина "світилося" - випускає електромагнітні хвилі. Гамов припустив, що вони повинні спостерігатися і в сучасну епоху у вигляді слабеньких радіохвиль, і навіть передбачив температуру цього випромінювання - приблизно 5-6 К.

У 1965 р. американські вчені радіоінженери Арно Пензіас і Роберт Вілсон зареєстрували космічне випромінювання, яке не можна було приписати жодному відомому тоді космічному джерела. Астрономи прийшли до висновку, що це випромінювання, що має температуру близько 3 К, - релікт (від лат. "залишок", звідси і назва випромінювання - "реліктове") тих далеких часів, коли Всесвіт був фантастично гаряча. Тепер астрономи змогли зробити вибір на користь "гарячого" народження Всесвіту. А. Пензіас і Р. Вільсон, отримали в 1978 р. Нобелівську Премію за відкриття космічного мікрохвильового фону (такого офіційну назву реліктового випромінювання) на хвилі 7,35 см.

3. Сценарій далекого минулого.

Великим вибухом називається явище виникнення Всесвіту. В рамках цієї концепції належить, що початковим станом Всесвіту була точка, яка називається точкою сингулярності, в якій були зосереджені всі речовина та енергія. Вона характеризувалася нескінченно великою щільністю матерії. Конкретні властивості точки сингулярності невідомі, як невідомо і те, що передувало станом сингулярності.

Приблизна хронологія подій, що сталися з нульового моменту часу - початку розширення, представлена нижче:        

Час   з початку вибуху         

Температура   

(градуси   Кельвіна)         

Подія         

Наслідки             

0   - 5 * 10-44 секунди         

1,3 * 1032            

Ніяких   достовірних відомостей немає                      

5 * 10-44   - 10-36 секунди         

1,3 * 1032   - 1028         

Початок   дії відомих фізичних законів, ера інфляційного розширення         

Розширення   Всесвіту що продовжується і понині             

10-36   - 10-4 секунди         

1028   - 1012         

Ера   проміжних бозонів, а потім - адронний ера, існування вільних   кварків                      

10-4   - 10-3 секунд         

1012   - 1010         

Виникнення   частинок і античастинок з вільних кварків, а також їх анігіляція,   виникнення прозорості речовини для нейтрино         

Виникнення   баріонів асиметрії, поява нейтринного реліктового випромінювання             

10-3   - 10-120 секунд         

1010   - 109         

Перебіг   ядерних реакцій синтезу ядер гелію та деяких інших легких хімічних   елементів         

Встановлення   первинного співвідношення хімічних елементів             

Між   300 тисячами - 1 мільйоном років         

3000   - 4500         

Завершення   ери рекомбінації         

Поява   Реліктового випромінювання та нейтрального газу             

1   мільйон - 1 мільярд років         

4500   - 10         

Розвиток   гравітаційних неоднорідностей газу         

Освіта   зірок та галактик     

Щодо умов та подій, що відбувалися до настання моменту 5.10 -44 секунди - закінчення першого кванта часу -- ніяких достовірних відомостей немає. Про фізичні параметри тієї ери можна лише сказати, що тоді температура була 1,3 · 1032 К, а щільність матерії близько 1096 кг/м3. Наведені значення є граничними для застосування існуючих теорій. Вони випливають з співвідношень швидкості світла, гравітаційної постійної, постійних Планка і Больцмана і називаються "Планка".

Події періоду з 5.10 -44 по 10-36 секунди відображає модель "інфляційного Всесвіту", опис, якій важко і не може бути надана в рамках цього викладу. Однак слід зазначити, що згідно з цією моделі розширення Всесвіту відбувалося без зменшення об'ємної концентрації енергії і при негативному тиску первинної суміші речовини і енергії, тобто, як би, відштовхуванні матеріальних об'єктів один від одного, що викликала розширення Всесвіту, що продовжується і понині.

Далі, починаючи з моменту 10-36 секунди від початку вибуху, події описуються в рамках моделі "гарячого Всесвіту".

Для розуміння процесів, що протікають в період 10-36-10-4 секунд з початку вибуху, потрібне глибоке знання фізики елементарних частинок. У цей період електромагнітне випромінювання та елементарні частки - різні види мезонів, гіперонів, протони і антипротона, нейтрони і Антинейтрон, нейтрино і антинейтрино і т.п. існували в рівновазі, тобто їх об'ємні концентрації були рівні. Дуже важливу роль в цей час грали спочатку поля сильних, а потім слабких взаємодій.

У період 10-4 -- 10-3 секунди відбувалося формування всієї безлічі елементарних частинок, які, перетворюючись одні в інші, і складають нині весь Всесвіт. Виникла анігіляція переважної більшості елементарних частинок і античастинок, що існували раніше. Саме в цей період з'явилася баріонів асиметрія, яка виявилася наслідком дуже малого, всього на одну мільярдну частку, перевищення кількості баріонів над антібаріонамі. Воно виникло, судячи з усього, відразу після ери інфляційного розширення Всесвіту. При температурі 1011 градусів щільність Всесвіту вже знизилася до величини, характерної для атомних ядер, В цей період зменшення температури вдвічі відбувалося за тисячні частки секунди. В цей же час народилося що існує і нині реліктове нейтринної випромінювання. Однак, незважаючи на його значну щільність, складову не менш ніж 400 штук/см3, і можливість отримати з його допомогою найважливішу інформацію про той період формування Всесвіту, його реєстрація поки не можна реалізувати.

У період с 10-3 по 10-120 секунд в результаті термоядерних реакцій утворилися ядра гелію і дуже мала кількість ядер деяких інших легких хімічних елементів, а значна частина протонів -- ядер водню - об'єднання в атомні ядра не піддалася. Всі вони залишилися зануреними у "океан" вільних електронів і фотонів електромагнітного випромінювання. З цього моменту в первинному газі встановилося співвідношення: 75 - 78% водню і 25-22% гелію - за масою цих газів.

У період між 300 тисячами і 1 мільйоном років температура Всесвіту знизилася до 3000 - 45000 К і настала ера рекомбінації. Вільні перш електрони об'єдналися з легкими атомними ядрами і протонами. Утворилися атоми водню, гелію і деяка кількість атомів літію. Речовина стало прозорим і реліктове випромінювання, що спостерігається, до сих пір, "відокремилося" від нього. Все що спостерігаються нині особливості реліктового випромінювання, наприклад, флуктуації температури його потоків що приходять від різних ділянок на небесній сфері або їх поляризація відображають картину властивостей і розподілу речовини в той час.

Протягом наступного - першого мільярда років існування Всесвіту її температура знизилася від 3000 - 45000 К до 300 К. В зв'язку з тим, що до цього періоду часу у Всесвіті ще не утворилося джерел електромагнітного випромінювання - зірок, квазарів і т.п., а реліктове випромінювання вже охололо, цю епоху називають "Темним віком" Всесвіту.

Тоді ж неоднорідності щільності суміші первинних газів, що виникли, ймовірно, ще на етапі "інфляційного розширення" Всесвіту, ущільнювалися під дією гравітаційних сил. Комп'ютерне моделювання цих процесів показує, що це повинно було приводити до утворення гігантських зірок з масами в мільйони мас Сонця. Унаслідок таких величезних мас, ці зірки розігрівалися до дуже високих температур і тому проходили весь свій шлях еволюції протягом декількох десятків мільйонів років, а потім вибухали як найновіші.

Нагріті до величезних температур поверхонь цих зірок породжували потужні потоки ультрафіолетового випромінювання, які виробили повторну іонізацію атомів що знаходяться у вільному від зірок космічному просторі. Настала, так звана, епоха переіонізація. Утворилася плазма сильно розсіювала електромагнітне випромінювання в його короткохвильових спектральних діапазонах. Всесвіт, як би поринула в густий туман. Тільки для довгохвильового реліктового випромінювання ця середовище виявилося прозорою.

Ці гігантські зірки стали першими у Всесвіті джерелами більш важких, ніж літій хімічних елементів. Слідом за тим з'явилася можливість формування космічних об'єктів другого покоління, містять ядра цих атомів. Зірки другого покоління почали формуватися з суміші важких атомів, а також первинних атомів водню й гелію. Вони і зірки наступних поколінь вже не були настільки масивними і гарячими, як зірки першого покоління, тому потоки ультрафіолетового іонізуючого випромінювання від них були значно менше. Відбулася повторна рекомбінація більшості атомів міжзоряного і міжгалактичного газів і простір знову стало, основному, прозорим для електромагнітного випромінювання у всіх його спектральних діапазонах. Картина Всесвіту стала, практично такою, якою ми її спостерігаємо сьогодні.

Отже, в результаті Великого вибуху 13-20 млрд. років тому почав діяти унікальний прискорювач частинок, під час роботи якого безперервно і стрімко змінювали один одного процеси народження і загибелі (анігіляції) різноманітних частинок.

4. Великий Вибух .

Попередня всесвіт перед вибухом складалася з невеликої кількості майже повністю вигорілих галактик. Основним елементом у цих галактиках було залізо. Всесвіт висвітлювали тільки жовті та червоні зірки, але горіли вони значно яскравіше, ніж сейчас.Еслі у всесвіті і існувала життя, то вона була зосереджена навколо цих зірок і була приречена на загибель. У центрі всесвіту знаходилася "чорна діра", в яку і падали всі ці галактики. А в центрі "чорної дірки" знаходилася гігантська зірка, розмірами переважаюча найбільшу галактику. Ця зірка під дією гравітації стискалася, і спочатку кванти енергії почали входити одне в одного, утворюючи єдиний квант енергії, що має позитивний заряд. При подальшому стисненні почався миттєвий перехід вакууму в енергію. Варто детальніше зупинитися на природі вакууму. Розпадатися можуть не тільки елементарні частинки, а й сам квант. При цьому утворюються кванти з дробовим зарядом. Кванти енергії, що мають дробовий заряд, менше одиниці, не можуть мати полів. З цих квантів енергії, що не мають полів, і ніщо-порожнечі і складається вакуум. Ці неповноцінні кванти називаються "Снаркамі". Для того щоб кілька снарков перетворилися на повноцінний квант, необхідно, щоб вони увійшли одна в одну. Для цього треба величезний тиск. Такий тиск і створила первинна зірка.

Як тільки тиск досягло критичного рівня, весь вакуум всередині первинного тіла миттєво перетворився на енергію. Всі поля є енергіями, а енергії виникають в результаті взаємодії двох об'єктів, що мають різний енергетичний рівень. Якщо одного з складових немає, то і створення енергії, а значить і полів, неможливо. Вакуум, який грав роль об'єкта, що має низький енергетичний рівень, перетворився на енергію, і кванта стало ні з чим взаємодіяти, для створення полів. Гравітаційне поле миттєво зменшилася, і зірка вийшла з колапсу. Стиснення ядра гігантської зірки зменшилася, і вона скинула зовнішню оболонку. Відбувся ефект стислої пружини, яка, при зменшенні стиснення, розпрямляється. Кванти подібної енергетичної щільності в природі існувати не можуть. Для зменшення своєї енергетичної щільності він повинен був збільшити довжину хвилі, а, значить, збільшуватися в обсязі. При взаємодії протокванта і зовнішнього вакууму, утворилося гігантське електричне поле. Саме з цього електричного поля і вакууму і стали утворюватися протони. Енергію електричного поля підтримував протоквант, втрачаючи енергію на його підтримку. Цей суперфотон збільшувався в обсязі з швидкістю світла, і протони виявлялися усередині цього кванта, так як рухатися зі "швидкістю світла" протони не могли. Це заборонено теорією відносності. Будь-яка елементарна частинка складається з кванта енергії та вакууму. Щільність вакууму всередині елементарної значно вище, ніж в навколишньому просторі. Кількість вакууму в природі обмежена, а тому що на створення речовини витрачалося велика кількість вакууму, це призвело до різкого зменшення всесвіту. Всесвіт стала стискуватися.

Стиснення всесвіту відбувалося так швидко, що речовина зовнішньої оболонки зірки, виявилося перемішаним з новоствореним речовиною. Кожна нова всесвіт успадковує частина речовини від старої всесвіту. Коли енергія протокванта була витрачена на створення протонів, нічим стало підтримувати енергію електричного поля, і електричне поле повинно було почати зменшуватися. Електричне поле прагне будь-яку ціну зберегти свій потенціал, навіть ціною зміни свого заряду, на протилежний. На спаді потенціалу, з енергії поля, стали створюватися електрони. Коли енергетична щільність поля, стала не достатня для створення електронів, воно розбилося на фотони, і по периметру вибуху утворилася гігантська спалах, що складається з фотонів. Фотони, продовжуючи рухатися в тому ж напрямку, пройшли через другий центр, (наш всесвіт відноситься до двухцентовим об'єктів) і штовхнули зовнішні електрони в центр всесвіту. З центру всесвіту рухалися протони і деяка кількість речовини від попередньої всесвіту, а назустріч їм електрони, получ?? вшіе момент імпульсу від фотонів, і утворилося два зустрічних потоку. Утворилися гігантські вихори аналогічні земним циклонів.

Циклони не просто зовні нагадують спіральні галактики, у них і природа однакова. У центрі такого вихору висока щільність речовини, а ось момент імпульсу дорівнює нулю. На периферії навпаки щільність речовини низька, а момент імпульсу великий. В результаті взаємодії електронного і протонного потоку утворилася велика кількість спіральних галактик. Оскільки в центрі галактики речовина не мало моменту імпульсу, то протони відразу ж зібралися в гігантські зірки, і відразу почалися термоядерні реакції. Великий Вибух був не таким ефектним, як вважають фізики, але дуже ефективним. Велика частина енергії перетворилася в речовину. Фактично вибуху, як такого, і не було. Було перетворення енергії в речовину по всьому об'єму всесвіту. Доказом цього є те, що наш всесвіт однорідна і ізотропна. Це означає, що в будь-якій сфері, з діаметром ~ рівним 300 світлових років, кількість галактик приблизно однаково. Однорідність і ізотропності всесвіту, прийнято називати космологічний принцип. При вибуху, який запропонований фізиками, такого ефекту бути не може. Це можливо тільки у випадку, коли речовина рівномірно виникло у всьому обсязі всесвіту.

При термоядерної реакції виділяється не тільки енергія, але й вакуум. Відстань між пунктом "А" і "Б" залежить від кількості вакууму що знаходиться між ними. Чим активніше відбувалися термоядерні процеси в галактиці, тим більше викидалося вакууму, і тим швидше вона віддалялася від інших галактик. Всесвіт почала розширюватися. Всесвіт розширювалася не за рахунок енергії первинного вибуху, а завдяки термоядерним реакцій зірок. Як зберігали галактики свою структуру можна знайти у статті "Геометрія галактик". Вакуум, що звільнився після термоядерних реакцій, поступово залишає межі Метагалактика, але поки термоядерна активність зірок велика, і кількість вакууму, що випромінюється зірками більше, ніж залишають Метагалактика, вона буде розширюватися.

Як тільки термоядерна активність галактик зменшиться, всесвіт продовжить збільшуватися, а ось Метагалактика почне зменшуватися. Це станеться тоді, коли кількість вакууму, що залишають Метагалактика, буде більше, ніж отримується при термояд. Галактики почнуть рух до спільного центру, цикл замкнеться, і все повториться з початку.

Ми з'ясували, що Всесвіт постійно розширюється; той момент з якого Всесвіт початку розширяться, прийнято вважати її початком. Його називають "Великим Вибухом" або англійською терміном Big Bang.

Під розширенням Всесвіту мається на увазі такий процес, коли теж саме кількість елементарних частинок і фотонів займають постійно зростаючий обсяг.

Коротко викладемо всі ті висновки про можливі параметрах Всесвіту на стадії Великого Вибуху, до яких ми прийшли.

Середня щільність Всесвіту в результаті розширення поступово знижується. З цього випливає, що в минулому щільність Всесвіту була більше, ніж в даний час. Можна припустити, що в глибоку давнину (приблизно десять мільярдів років тому) щільність Всесвіту була дуже великою.

Крім того високої повинна була бути і температура, настільки високою, що щільність випромінювання перевищувала щільність речовини. Інакше кажучи енергія всіх фотонів що містяться в 1 куб. см була більше суми загальної енергії частинок, що містяться в 1 куб. см. На самому ранньому етапі, у першій миті "Великого Вибуху" вся матерія була сильно розпеченої і густою сумішшю часток, античастинок і високоенергічних гамма-фотонів. Частки при зіткненні з відповідними античастинками анігілювати, але виникають гамма-фотони моментально матеріалізувалися в частинки і античастинки.

Докладний аналіз показує, що температура речовини Т знижувалася в часі в Відповідно до простим співвідношенням формула (1):

(1)

Залежність температури Т від часу t дає нам можливість визначити, що наприклад, у момент, коли вік Всесвіту обчислювався всього однієї десятитисячне секунди, її температура представляла один більйон кельвінів.

5. Еволюція речовини

Температура розпеченої щільної матерії на початковому етапі Всесвіту з часом знижувалася, що і відображається в співвідношенні. Це означає, що знижувалася середня кінетична енергія часток kT. Згідно співвідношенню h