Теория Большого Взрыва

 

 

Содержание

 

1. Недостатки классической теории…………………………………..2
2. Эволюционирующая Вселенная……………………………………3
3. Теория расширяющейся Вселенной………………………………..4
4. Стадии развития Вселенной………………………………………...9
5. Будущее Вселенной…………………………………………………11
6. Заключение………………………………………………………......12
7. Список использованной литературы……………..………………...14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Недостатки классической теории.

 

В истории познания и окружающего нас мира четко прослеживается общее направление — постепенное признание неисчерпаемости природы, ее бесконечности во всех отношениях. Вселенная бесконечна в пространстве и во времени, и если отбросить идеи И. Ньютона о «первом толчке», то такого рода мировоззрение можно считать вполне материалистическим. Ньютон утверждал, что пространство есть вместилище всех небесных тел, с движением и массой которых оно никак не связано, — Вселенная всегда одна и та же, т.е. стационарна, хотя в ней постоянно происходят гибель и рождение миров. 

Казалось бы, небо ньютоновской космологии обещало быть безоблачным. Однако очень скоро пришлось убедиться в обратном. В XIX в. Обнаружились три противоречия, которые были сформулированы в форме трех и парадоксов, названных космологическими. Они, казалось, подрывали представление о бесконечности Вселенной.

Фотометрический парадокс. Если Вселенная бесконечна и звезды в ней распределены равномерно, то по любому направлению мы должны видеть какую-нибудь звезду. В этом случае фон неба был бы ослепительно ярким, как Солнце.

Гравитационный парадокс. Если Вселенная бесконечна и звезды равномерно занимают ее пространство, то сила тяготения в каждой его точке должна быть бесконечно велика, а стало быть, бесконечно велики были бы и относительные ускорения космических тел, чего, как известно, нет.

Термодинамический парадокс. По второму закону термодинамики все физические процессы во Вселенной в конечном счете сводятся к выделению теплоты, которая необратимо рассеивается в мировом пространстве. Рано или поздно все тела остынут до температуры абсолютного нуля, движение прекратится и наступит навсегда «тепловая смерть». Вселенная имела начало, и ее ждет неизбежный конец.

Первая четверть XX в. прошла в томительном ожидании развязки. Никто, разумеется, не хотел отрицать бесконечность Вселенной, но, с другой стороны, никому не удавалось устранить космологические парадоксы стационарной Вселенной. Лишь гений Альберта Эйнштейна внес новую струю в космологические споры. 

Ньютоновская классическая физика, как уже говорилось, рассматривала пространство как  вместилище тел. Никакого взаимодействия между телами и пространством по Ньютону и быть не могло.

 

 

2. Эволюционирующая Вселенная.

 

В 1916 г. А. Эйнштейн опубликовал основы общей теории относительности. Одна из главных ее идей состоит в том, что материальные тела, в особенности большой массы, заметно искривляют пространство. Из-за этого, например, луч света, проходящий вблизи Солнца, изменяет первоначальное направление примерно на 2" от прямолинейного.

Представим себе теперь, что во всей наблюдаемой нами части Вселенной материя равномерно «размазана» в пространстве и в любой его точке действуют одни и те же законы. При некоторой средней плотности космического вещества выделенная ограниченная часть Вселенной не только искривит пространство, даже замкнет его «на себя». Вселенная точнее, выделенная ее часть превратится в замкнутый мир, напоминающий обычную сферу. Но только это будет четырехмерная сфера, или гиперсфера, представить себе которую мы, трехмерные существа, не в состоянии. Однако, мысля по аналогии, можно легко разобраться в некоторых свойствах гиперсферы. Она, как и обычная сфера, имеет конечный объем, заключающий в себе конечную массу вещества. Если в мировом пространстве лететь все время в одном направлении, то через некоторое число миллиардов лет можно попасть в исходную точку.

Идею о возможности замкнутости Вселенной впервые высказал А. Эйнштейн. В 1922 г. советский математик А. А. Фридман доказал, что «замкнутая Вселенная» Эйнштейна никак не может быть статичной. В любом случае ее пространство или расширяется, или сжимается со всем своим содержимым. 

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл открыл замечательную закономерность: линии в спектрах подавляющего большинства галактик смещены к красному концу, причем смещение тел тем больше, чем дальше от нас находится галактика. Это интересное явление называется красным смещением. Объяснив красное смещение эффектом Доплера, т.е. изменением длины волны света в связи с движением источника, ученые пришли к выводу о том, что расстояние между нашей и другими галактиками непрерывно увеличивается. Конечно, галактики не разлетаются во все стороны от нашей Галактики, которая не занимает никакого особого положения р Метагалактике, а происходит взаимное удаление всех галактик. Это означает, что наблюдатель, находящийся в любой галактике, мог бы, подобно нам, обнаружить красное смещение, ему сказалось бы, что от него удаляются все галактики. Таким образом, Метагалактика не стационарна.

Открытие расширения Метагалактики свидетельствует о том, что Метагалактика в прошлом была не такой, как сейчас, и иной станет в будущем, т.е. Метагалактика эволюционирует. 

По красному смещению определены скорости удаления галактик. У многих галактик они очень велики, соизмеримы со скоростью света. Самыми большими скоростями, иногда превышающими 250 тыс. км/с, обладают некоторые квазары, считающиеся самыми удаленными от нас объектами Метагалактики.

Закон, согласно которому красное  смещение (а значит, и скорость удаления галактик!) возрастает пропорционально расстоянию от галактик (закон Хаббла), можно записать в виде:

V= HR,

где V — лучевая скорость галактики; R— расстояние до нее; Н — постоянная Хаббла. По современным оценкам, значение Н заключено в пределах:

50 км/с∙Мпк < H < 100 км/с∙Мпк.

Следовательно, наблюдаемый темп расширения Метагалактики таков, что галактики, разделенные расстоянием в 1 Мпк (3.10¹⁹ км), удаляются друг от друга со скоростью от 50 до 100 км/с. Если скорость удаления галактики известна, то таким образом можно вычислить расстояние до далеких галактик.

 

3. Теория расширяющейся Вселенной.

 

Итак, мы живем в расширяющейся  Метагалактике. Это явление имеет  свои особенности. Расширение Метагалактики проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплений галактик, т.е. систем, элементами которых являются галактики. Другая особенность расширения Метaгaлaктик заключается в том, что не существует центра, от которого разбегаются галактики.

Расширение Метагалактики  — самое грандиозное из известных в настоящее время явлений природы. Правильное его истолкование имеет исключительно большое мировоззренческое значение. Неслучайно в объяснении причины этого явления резко проявило коренное отличие философских взглядов ученых. Некоторые из них, отождествляя Метагалактику со всей Вселенной, пытаются доказать, что расширение Метагалактики подтверждает религиозное о сверхъестественном, божественном происхождении Вселенной. Однако во Вселенной известны естественные процессы, которые в прошлом могли вызвать наблюдаемое расширение. По всей вероятности, это взрывы. Их масштабы поражают нас уже при изучении отдельных видов галактик. Можно представить, что расширение Метагалактики также началось с явления, напоминающего колоссальный взрыв вещества, обладавшего огромной температурой и плотностью.

Так как Вселенная расширяется, естественно думать, что раньше она была меньше и когда-то все пространство было сжато в сверхплотную материальную точку. Это был момент так называемой сингулярности, который уравнениями современной физики не может быть описан. По неизвестным причинам произошел процесс, подобный взрыву, и с тех пор Вселенная начала «расширяться». Процессы, происходящие при этом, объясняются теорией «горячей» Вселенной (табл. 1)

 

Условия после начала расширения Вселенной

Таблица 1

Время от начала t, с	Плотность р, кг/м3	Температура Т, К
∽0	∽1096	∽1032
10-6	1021	1013
10-4	1017	1012
1	109	1010
106	10-18	103
…	…	…

В 1965 г. американские ученые А. Пензиас и Р. Вилсон нашли экспериментальное доказательство пребывания Вселенной в сверхплотному горячем состоянии, т.е. реликтовое излучение (табл. 2). Оказалось, что космическое пространство заполнено электромагнитными волнами, являющимися посланцами той древней эпохи развития Вселенной, когда еще  не было никаких звезд, галактик, гуманностей. Реликтовое излучение пронизывает все пространство, все галактики, оно участвует в расширении Метагалактики. Реликтовое электромагнитное излучение находится в радиодиапазоне с длинами волн от 0,06 см до 60 см. Распределение энергии похоже на спектр абсолютно черного тела с температурой 2,7 К. Плотность энергии реликтового излучения равна 4•10¹³ эрг/см³, максимум излучения приходится на 1,1 мм. При этом само излучение имеет характер некоторого фона, ибо заполняет все пространство и совершенно изотропно. Оно является свидетелем начального состояния Вселенной — это свет, оторванный от звезд. Очень важно, что, хотя это открытие было сделано случайно при изучении космических радиопомех, существование реликтового излучения было предсказано теоретиками. Одним из первых предсказал это излучение Дж. Гамов, разрабатывая теорию происхождения химических элементов, возникших в первые минуты после «Большого Взрыва». Предсказание существования реликтового излучениями обнаружение его в космическом пространстве — еще один убедительный пример познаваемости мира и его закономерностей.

 

Параметры реликтового излучения, обнаруженного

в 1965 г. А. Пензиасом и Р. Вильсоном

Таблица 2

1	Диапазон длин волн	λ=(0,06-60) см
2	Соответствует спектру абсо- лютно черного тела	T=2,7 К
3	Плотность энергии	ε= 4.10-13 эрг/см3
4	Максимум излучения	λmax=1.1 мм

 

Во всех развитых динамических космологических моделях утверждается о расширении Вселенной из некоторого сверхплотного и сверхгорячего состояния, называемого сингулярным. Американский астрофизик Д. Гамов пришел к концепции «Большого Взрыва» и горячей Вселенной на ранних этапах ее эволюции (табл. 3).

Анализ проблем начальной  стадии эволюции Вселенной оказался возможным, опираясь на новые представления о природе вакуума. Космологическое решение, полученное де Ситтером для вакуума (r~е^Ht), показало, что экспоненциальное расширение неустойчиво: оно не может продолжаться неограниченно долго. Через сравнительно малый промежуток «времени экспоненциальное расширение прекращается, в вакууме происходит фазовый переход, в процессе которого энергия вакуума переходит в обычное вещество и кинетическую энергию расширения Вселенной. «Большой Взрыв» был 15—20 млрд. лет назад.

Согласно стандартной  модели горячей Вселенной сверхплотная материя после «Большого Взрыва»  начала расширяться и постепенно охлаждаться. По мере расширения произошли фазовые переходы, в результате которых выделились физические силы взаимодействия материальных тел. При экспериментальных значениях таких основных физических параметров, как плотность и температура (р ~ 10 ⁹⁶кг/м ³ и Т ~ 10³² К) на начальном этапе расширения Вселенной, различия между элементарными частицами и четырьмя типами физических взаимодействий практически отсутствуют. Они начинают проявляться, когда уменьшается температура и начинается дифференциация материи.

Таким образом, современные представления об истории возникновения нашей Метагалактики основываются на пяти важных экспериментальных наблюдениях:

1. Исследование спектральных линий звезд показывает, что Метагалактика в среднем обладает единым химическим составом. Преобладают водород и гелий.
2. В спектрах элементов далеких галактик обнаруживается систематическое смещение красной части. Величина этого смещения возрастает по мере удаления галактик от наблюдателя.
3. Измерения радиоволн, приходящих из космоса в сантиметровом и миллиметровом диапазонах, указывают на то что космическое пространство равномерно и изотропно заполнено слабым радиоизлучением. Спектральная характеристика этого так называемого фонового излучения соответствует излучению абсолютно черного тела при температуре около 2,7 градуса по Кельвину.
4. По астрономическим наблюдениям крупномасштабное распределение галактик соответствует постоянной плотности массы, составляющей, по современным оценкам, по крайней мере 0,3 бариона на каждый кубический метр.
5. Анализ процессов радиоактивного распада в метеоритах показывает, что некоторые из этих компонент должны были возникнуть от 14 до 20 млрд. лет назад.