Происхождение и эволюция Вселенной. Концепция Большого взрыва. Свойства мегамира

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по дисциплине Концепции современного естествознания

«Происхождение и эволюция Вселенной. Концепция Большого взрыва. Свойства мегамира»

 

Содержание

 

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

2. Происхождение Вселенной - теория  «Большого взрыва»……………5

3. Эволюция Вселенной…………………………………………………….7

3. Общая характеристика мегамира………………………………………11

4. Свойства мегамира………………………………………………………13

Заключение………………………………………………………………….17

Список литературы…………………………………………………………18

 

Введение

 

Человечество всегда интересовалось всем, что окутано тайнами, а самым большим вместилищем неизведанного является Вселенная. Вселенной является весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. И, естественно, всегда было интересно узнать, с чего же всё началось? Поиск ответа на данный вопрос остаётся актуальным и в наше время, а проблема эволюции Вселенной занимает центральное место в естествознании. Соответственно сложилось множество различных концепций, старающихся объяснить данное явление.

Используя достижения различных наук, таких, как физика, математика, философия, возникла новая наука – 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. Предметом космологии является весь окружающий нас мегамир, а задача состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции вселенной. В Новое время, кстати, зарождается космогония — наука о происхождении и развитии космических тел и их систем.

Современная астрономия не только открыла  грандиозный мир галактик, но и  обнаружила уникальные явления: расширение Метагалактики, космическую распространенность химических элементов, реликтовое излучение, свидетельствующие о том, что Вселенная непрерывно развивается.

С эволюцией структуры Вселенной  связано возникновение скоплений  галактик, обособление и формирование звезд и галактик, образование планет и их спутников. Сама Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет назад из некоего плотного и горячего протовещества. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширятся. На начальной стадии это плотное вещество разлеталось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновении частиц. Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В этих комплексах, в свою очередь возникали более плотные участки – там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики.

В результате гравитационной нестабильности в разных зонах образовавшихся галактик могут сформироваться плотные «протозвездные образования» с массами, близкими к  массе Солнца. Начавшийся процесс сжатия будет ускоряться под влиянием собственного поля тяготения. Процесс этот сопровождает свободное падение частиц облака к его центру – происходит гравитационное сжатие. В центре облака образуется уплотнение, состоящее из молекулярного водорода и гелия. Возрастание плотности и температуры в центре приводит к распаду молекул на атомы, ионизации атомов и образованию плотного ядра протозвезды.

Существует гипотеза о цикличности  состояния Вселенной. Когда-то возникнув  из сверхплотного сгустка материи, Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила внутри себя миллиарды звездных систем и планет. Н затем Вселенная начинает стремиться к тому состоянию, с которого начиналась история цикла. В конце концов, вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, уничтожив всю жизнь, попавшуюся на пути. И так повторяется каждый раз, в каждом цикле на протяжении вечности.

 

Происхождение Вселенной - теория «Большого  взрыва»

 

Сама Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет назад из некоего плотного и горячего протовещества. Сегодня можно только предполагать, каким было это вещество, породившее Вселенную, как оно образовалось, каким законам подчинялось и что за процессы привели его к расширению. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширяться.

На начальной стадии это плотное  вещество разлеталось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно  распадающихся при столкновениях  частиц. Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В них в свою очередь возникали более плотные участки — там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики.

Конечна или бесконечна Вселенная, какая у нее геометрия —  эти и многие другие вопросы связаны  с эволюцией Вселенной, в частности  с наблюдаемым расширением. Если, как это считают в настоящее время, скорость "разлета " галактик увеличится на 75 км/с на каждый миллион парсек, то экстраполяция к прошлому приводит к удивительному результату: примерно 10— 20 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Многие ученые считают, что в то время плотность Вселенной была такая же, как у атомного ядра: Вселенная представляла собой одну гигантскую «ядерную каплю». По каким-то причинам эта «капля» пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Последствия этого взрыва мы наблюдаем сейчас как системы галактик. Модель горячей взрывающейся Вселенной была разработана учеником Фридмана Дж. Гамовым в конце 40-х годов, положив начало так называемой теории «Большого взрыва», но широкое распространение эта теория получила лишь в середине 1960-х годов.

Спрашивать о том, что было до «Большого взрыва», и что находится  за пределами этого расширяющегося мира, бессмысленно. Вселенная, согласно теории «Большого взрыва» ограничена в пространстве и времени, по крайней мере, со стороны прошлого. Такая, сложная для понимания, картина следовала из формул Фридмана. Вскоре, однако, американский астроном Э. Хаббл подтвердил факт расширяющегося вокруг нас пространства, измерив скорость этого явления. Благодаря этому стало возможным измерить время существования Вселенной – примерно, 15-20 млрд. лет.

До самого взрыва не существовало ни вещества, ни времени, ни пространства. События в первую секунду протекали  стремительно. Вначале образовались излучения (фотоны), затем частицы и вещества (кварки и антикварки). В течение той же секунды из них образовались протоны, антипротоны и нейтроны. При столкновении протона и антипротона, которые, как известно, отличаются друг от друга противоположными зарядами, происходит реакция аннигиляции, в ходе чего обе частицы исчезают, оставляя излучение (фотоны). Эти реакции стали довольно частыми, т. к. вещество «новорождённой» Вселенной было весьма плотным – частицы постоянно между собой сталкивались. Во Вселенной преобладало излучение.

К концу первой секунды, когда температура упала до 10 млрд. градусов, образовались и новые частицы, в том числе электрон и его античастица – позитрон. К этому же времени большая часть частиц уже аннигилировала. Так получилось, что число частиц было на ничтожную долю процента больше числа античастиц (этот факт до сих пор не объяснён), вследствие чего наша вселенная состоит из вещества, а не из антивещества.

К третьей минуте из четверти всех протонов и нейтронов образовались ядра гелия. Через несколько сотен  лет постоянно расширяющаяся Вселенная остыла настолько, что протоны и ядра гелия смогли удерживать возле себя электроны. Так образовались атомы гелия и водорода. Излучение, не сдерживаемое более свободными электронами, смогло теперь распространиться на огромные расстояния. В значительно «остывшей» (за 15 млрд. лет) Вселенной, в наше время мы можем слышать «отголоски» того излучения – оно является микроволновым, и, равномерно приходящее со всех сторон, соответствует излучению тела, нагретого всего до 3 К. Его принято называть реликтовым излучением. Его обнаружение и существование подтверждают теорию «Большого взрыва».

При расширении во Вселенной стали  образовываться области скопления  вещества, а также и области, где  его почти не было. под воздействием гравитации эти уплотнения росли и на их месте стали образовываться галактики, скопления и сверхскопления галактик.

Дополненная теорией ядерных реакций  в остывающем по мере своего расширения веществе, теория «Большого взрыва»  позволила рассчитать относительные  концентрации водорода, дейтерия более тяжёлых химических элементов в природе.

В конце XX в. данная теория стала практически общепринятой в космологии.

 

Эволюция вселенной

 

Эволюцию Вселенной принято  разделять на четыре эры : адронную, лептонную, фотонную и звездную.

а) Адронная эра. При очень высоких температурах и плотности в самом начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц. Вещество на самом раннем этапе состояло прежде всего из адронов, и поэтому ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны. Через миллионную долю секунды с момента рождения Вселенной, температура T упала на 10 биллионов Кельвинов(1013K). Средняя кинетическая энергия частиц kT и фотонов hn составляла около миллиарда эв (103 Мэв), что соответствует энергии покоя барионов. В первую миллионную долю секунды эволюции Вселенной происходила материализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но по прошествии этого времени материализация барионов прекратилась, так как при температуре ниже1013 K фотоны не обладали уже достаточной энергией для ее осуществления. Процесс аннигиляции барионов и антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов (протоны и нейтроны). Так во вселенной исчезла самая большая группа барионов - гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад гиперонов происходил на этапе с10-6 до 10-4 секунды. К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды (10-4 с. ), температура ее понизилась до 1012 K, а энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже для возникновения самых легких адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг10-4с. , в ней исчезли все мезоны. На этом и кончается адронная эра, потому что пионы являются не только самыми легкими мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда после этого сильное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды.

 

б) Лептонная эра. Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1Мэв в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.

Лептонная эра начинается с распада последних  адронов - пионов - в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре1010 K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем “реликтовыми”. Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.

 

в) Фотонная эра или эра излучения. На смену лептонной эры пришла эра излучения, как только температура Вселенной понизилась до 1010 K , а энергия гамма фотонов достигла 1 Мэв, произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Новые электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, потому, что фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества. Со времени адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два миллиарда раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по энергии.

Для того чтобы можно было сравнивать роль частиц и фотонов во Вселенной, была введена величина плотности энергии. Это количество энергии в1 куб. см, точнее, среднее количество (исходя из предпосылки, что вещество во Вселенной распределено равномерно). Если сложить вместе энергиюhn всех фотонов, присутствующих в 1 куб. см, то мы получим плотность энергии излучения Er . Сумма энергии покоя всех частиц в 1 куб. см является средней энергией вещества Em во Вселенной. Вследствие расширения Вселенной понижалась плотность энергии фотонов и частиц. С увеличением расстояния во Вселенной в два раза, объём увеличился в восемь раз. Иными словами, плотность частиц и фотонов понизилась в восемь раз. Но фотоны в процессе расширения ведут себя иначе, чем частицы. В то время как энергия покоя во время расширения Вселенной не меняется, энергия фотонов при расширении уменьшается. Фотоны понижают свою частоту колебания, словно “устают” со временем. Вследствие этого плотность энергии фотонов (Er) падает быстрее, чем плотность энергии частиц (Em). Преобладание во вселенной фотонной составной над составной частиц (имеется в виду плотность энергии) на протяжении эры излучения уменьшалось до тех пор, пока не исчезло полностью. К этому моменту обе составные пришли в равновесие (то естьEr=Em). Кончается эра излучения и вместе с этим период “большого взрыва”. Так выглядела Вселенная в возрасте примерно 300 000 лет. Расстояния в тот период были в тысячу раз короче, чем в настоящее время. “Большой взрыв” продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную нынешнего возраста Вселенной. Несмотря на краткость срока, это всё же была самая славная эра Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом её начале, во время “большого взрыва”. Все события во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции. Не следует забывать, что в столь короткое время (всего лишь несколько секунд) из богатого разнообразия видов элементарных частиц исчезли почти все: одни путем аннигиляции (превращение в гамма-фотоны), иные путем распада на самые легкие барионы (протоны) и на самые легкие заряженные лептоны (электроны).