Происхождение Вселенной. Теория Большого взрыва

Новокурск – 2013г.

Содержание

1. 
   Введение 3
   
2. 
   Предисловие 4
   
3. 
   Теория большого взрыва 4
   
4. 
   С чего все началось? 5
   
5. 
   Образование галактик 6
   
6. 
   Кто был первым? 7
   
7. 
   Реликтовое излучение 8
   
8. 
   Расширение Вселенной 8
   
9. 
   Будущее Вселенной 9
   
10. 
    Заключение, выводы 10
    

Приложение 13

I. Введение

Объект исследования:

• 
  достижения науки в области астрономии, изучающей гипотезы образования нашего мира.
  

Предмет исследования:

• 
  процессы, происходящие во Вселенной, эволюция Вселенной.
  

Цель исследования:

• 
  выяснить, как образовались Галактики, скопления, звезды и планеты - все объекты Вселенной;
  
• 
  как изменится Вселенная в будущем.
  

Задачи работы:

• 
  проследить этапы развития окружающего нас мира;
  
• 
  найти научные подтверждения современной теории.
  

Новизна исследования:

• 
  раскрыть перед учащимися школы справедливость одной из современных теорий возникновения мира «Теорию Большого взрыва»
  

Практическая значимость:

• 
  использовать приобретенные навыки исследовательской работы при изучении других школьных предметов.
  

Умения и навыки:

• 
  использование специальной литературы;
  
• 
  приобретение умений делать обзор собранного материала (доклад, презентация, реферат);
  
• 
  оформление работы рисунками, фотографиями, видеоматериалами;
  
• 
  активное обсуждение своей работы.
  

Метод исследования: теоретический (логическая ступень познания).

II. Предисловие

Картина ночного неба представляется наблюдателю некоторым эталоном стабильности по сравнению с окружающими его процессами на Земле и в обществе: на протяжении всей жизни человека, видимые звезды сохраняют неизменными свои положения и яркости, сохраняется привычный рисунок созвездий, и это единообразие нарушается лишь заметным движением небольшого числа объектов типа планет или комет, относящихся к нашей Солнечной системы. Это первое впечатление неизменности окружающей нас Вселенной в действительности обманчиво: она эволюционирует, и эта эволюция, сравнительно медленная сейчас, на ранних этапах была невообразимо быстрой, так что серьезные качественные изменения состояния Вселенной происходили за доли секунды. Совершенствование телескопов позволило астрономам заглянуть в глубины мирового пространства на миллиарды световых лет. Учёные открыли множество новых звёзд, огромное количество гигантских звёздных систем — галактик, удалённых от нас на невообразимые расстояния. Причём со временем стало ясно, что границы мира — если они вообще существуют — отодвигаются всё дальше и дальше, а пространство, охваченное наблюдениями, — на самом деле лишь небольшая часть Вселенной. Учёные пытаются научно обосновать ответы на вопросы: как устроена Вселенная и всегда ли была такой? Они создают модели Мироздания, в которых все свойства объясняются математическими и физическими законами, а не мифами, традициями и религиозными верованиями. Область астрономии, которая изучает и моделирует Вселенную как целое, называется космологией. Именно космологи определяют и объясняют, что представляет собой Вселенная, изменяется ли она со временем и если да, то каковы были её свойства в прошлом.

III. Теория большого взрыва
В нулевой момент времени возникновения Вселенная в течение первой миллионной доли секунды, когда температура значительно превышала 1012 Кельвинов, а плотность была немыслимо велика, должны были неимоверно быстро сменять друг друга экзотические взаимодействия, недоступные пониманию в рамках современной физики. Однако есть основания полагать, что к концу первой миллионной доли секунды уже существовал первичный «бульон» богатых энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества. Все вещество в Космосе в этот начальный момент было сдавлено буквально в нечто — спрессовано в одну-единственную точку. Оно имело фантастически огромную плотность — ее практически невозможно себе представить, она выражается числом, в котором после единицы стоят 96 нулей, — и столь же невообразимо высокую температуру. Астрономы назвали такое состояние сингулярностью.

IV. С чего все началось?
В те первые мгновения после Большого взрыва все имевшиеся частицы должны были непрерывно возникать и аннигилировать. Любая материальная частица имеет некоторую массу, и поэтому для ее образования требуется наличие определенной «пороговой энергии»; пока плотность энергии фотонов оставалась достаточно высокой, могли возникать любые частицы. Мы знаем также, что, когда частицы рождаются из гамма-излучения (фотонов высокой энергии), они рождаются парами, состоящими из частицы и античастицы, например, электрона и позитрона. В условии сверхплотного состояния материи, характерного для раннего этапа жизни Вселенной, частицы и античастицы должны были тотчас же после своего рождения снова сталкиваться, превращаясь в гамма-излучение. Это взаимное превращение частиц в излучение и обратно продолжалось до тех пор, пока плотность энергии фотонов превышала значение пороговой энергии образования частиц.[1]

Судя по всему, должна была существовать некоторая диспропорция между частицами (протонами, нейтронами, электронами и т. д.) и античастицами (антипротонами, антинейтронами, позитронами и т. д.), так как все частицы (а не только все античастицы) исчезли бы в процессе аннигиляции. В окружающей нас части Вселенной вещества несравнимо больше, чем антивещества, которое лишь изредка встречается в виде отдельных античастиц. Не исключено, конечно, что на ранней стадии эволюции Вселенной в ней были области, где доминировало вещество, и области с преобладанием антивещества - в этом случае возможно существование звезд и целых галактик, состоящих из антивещества; на больших расстояниях они были бы неотличимы от привычных нам звезд и галактик из вещества. Однако нет никаких свидетельств в пользу этого предположения, поэтому более разумным кажется считать, что с самого начала возник небольшой, но заметный дисбаланс частиц и античастиц. В настоящее время разрабатывается ряд теорий, в которых такой дисбаланс находит вполне естественное объяснение.
V. Образование галактик
После того как вещество стало прозрачным для электромагнитного излучения, в действие вступило тяготение: оно начало преобладать над всеми другими взаимодействиями между массами практически нейтрального вещества, составлявшего основную часть материи Вселенной. Тяготение создало галактики, скопления, звезды и планеты - все эти объекты образовались из первичного вещества, которое, в свою очередь, выделилось из быстро остывавшего и терявшего плотность первичного огненного шара; тяготению же предстоит определить путь эволюции и исход жизни всей Вселенной в целом. Тем не менее, многие вопросы, касающиеся эпохи, последовавшей за эпохой отделения излучения от вещества, остаются пока без ответа; в частности, остается нерешенным вопрос формирования галактик и звезд. Образовались ли галактики раньше первого поколения звезд или наоборот? Почему вещество сосредоточилось в дискретных образованиях - звездах, галактиках, скоплениях и сверхскоплениях, - когда Вселенная как целое разлеталась в разные стороны?

Успешное объяснение ряда явлений с помощью модели Большого взрыва привело к тому, что, как правило, не вызывает сомнения реальность происхождения микроволнового фонового излучения из расширяющегося первичного огненного шара в тот момент, когда вещество Вселенной стало прозрачным. Возможно, однако, что это слишком простое объяснение. В 1978 г., пытаясь найти обоснование для наблюдаемого соотношения фотонов и барионов (барионы - «тяжелые» элементарные частицы, к которым, в частности, относятся протоны и нейтроны) - 108:1, - М.Рис высказал предположение, что фоновое излучение может быть результатом «эпидемии» образования массивных звезд, начавшейся сразу после отделения излучения от вещества и до того, как возраст Вселенной достиг 1 млрд. лет. Продолжительность жизни этих звезд не могла превышать 10 млн. лет; многим из них было суждено пройти стадию сверхновых и выбросить в пространство тяжелые химические элементы, которые частично собрались в крупицы твердого вещества, образовав облака межзвездной пыли. Эта пыль, нагретая излучением догалактических звезд, могла, в свою очередь, испускать инфракрасное излучение, которое в силу его красного смещения, вызванного расширением Вселенной, наблюдается сейчас как микроволновое фоновое излучение.
В 1964 г. американские ученые-радиоинженеры Арно Пензиас и Роберт Уилсон зарегистрировали космическое излучение, которое нельзя было приписать никакому известному тогда космическому источнику. Астрономы пришли к выводу, что это излучение, имеющее температуру около 3 К, — реликт (от лат. «остаток», отсюда и название излучения — «реликтовое») тех далеких времен, когда Вселенная была фантастически горяча. [5]

Основными экспериментальными основаниями данной теории являются следующие три:

• 
  Наблюдаемое "разбегание" далеких галактик, подчиняющееся закону Хаббла:
  

закон Хаббла устанавливает зависимость между расстоянием до галактики D - и ее лучевой скоростью V (скоростью изменения расстояния между объектом и наблюдателем).

• 
  Открытие в 1964 году Р. Пензиасом и А. Вильсоном космического фона "реликтового излучения", по интенсивности и спектральному составу эквивалентного излучению черного тела с температурой около 3 K.
  
• 
  Наблюдаемый химический состав Вселенной, состоящей приблизительно из 3/4 (по массе) водорода и 1/4 гелия и примесей космической пыли.
  

VI. Кто был первым?
Первые предположения о создании Вселенной в результате взрыва сделал в 1916 г. немецкий ученый Альберт Эйнштейн (1879—1955). Он разработал теорию относительности, которую сразу же начал применять для создания космологической модели Вселенной. Со времен Аристотеля считалось, что наша Вселенная стационарна, т. е. с течением времени она не только не меняется в общих чертах, но в ней не происходит каких-либо крупномасштабных движений. Вселенная — согласно теории относительности — отнюдь не стационарна. Она либо расширяется, либо сжимается! Эйнштейн, однако, не решился опровергнуть устоявшееся мнение, поскольку не был до конца уверен в безошибочности своих выводов. Изменялся ли наш мир? В 1916 г. немецкий ученый Альберт Эйнштейн разработал теорию относительности, которую сразу же начал применять для создания космологической модели Вселенной. Со времен Аристотеля считалось, что наша Вселенная стационарна, т. е. с течением времени она не только не меняется в общих чертах, но в ней не происходит каких-либо крупномасштабных движений. Вселенная — согласно теории относительности — отнюдь не стационарна. Она либо расширяется, либо сжимается! Эйнштейн, однако, не решился опровергнуть устоявшееся мнение, поскольку не был до конца уверен в безошибочности своих выводов.

В варианте Эйнштейна Вселенная получилась конечной и замкнутой — нечто аналогичное поверхности шара. Ее пространство искривлено, и луч света, идущий в одном направлении, через определенный промежуток времени должен вернуться в исходную точку, но с противоположной стороны. Одним из тех, кто иначе взглянул на подобную неизменную модель Мироздания, стал российский метеоролог, математик по образованию, Александр Фридман (1888—1925). Он доказал, что первоначальное решение Эйнштейна не было ошибочным: действительно, Вселенная должна изменяться.

Впрочем, все эти рассуждения о якобы расширяющейся Вселенной воспринимались поначалу скептически. Астрономы не соглашались считать подобные теории описанием реального мира до тех пор, пока они не будут подтверждены наблюдениями.

Современная астрономия на вопрос о том, существуют ли доказательства гипотезы горячей Вселенной и Большого взрыва, может дать утвердительный ответ. В 1964 г. было сделано открытие, которое, как считают ученые, прямо подтверждает то, что в прошлом вещество Вселенной было очень плотным и горячим. Оказалось, что в космическом пространстве встречаются электромагнитные волны, которые родились в ту далекую эпоху, когда не было еще ни звезд, ни галактик, ни нашей Солнечной системы. Это и есть реликтовое излучение.
VII. Реликтовое излучение

Это важнейшее космологическое открытие нашего века, которое было сделано случайно. В 1964 году астрономы А. Пензиас и Р. Вильсон решили измерить фоновое радиоизлучение нашей Галактики в направлениях вне ее плоскости эклиптики. Для этого они решили воспользоваться построенной для связи со спутниками рупорной антенной лаборатории фирмы Белл-Телефон, сконструированной так, чтобы обеспечить сверхнизкий уровень собственных шумов. Последнее очень важно, так как ожидаемое фоновое радиоизлучение галактики также подобно радиошуму, который следовало выделить на фоне других шумов от атмосферы, самой антенны и ее усилительных цепей.[3]

После тщательного анализа и оценки всех этих "паразитных" шумов Пензиас и Вильсон начали измерения на сравнительно коротких волнах с длиной 7,35 см (микроволновый диапазон), для которых радиошум галактики должен практически отсутствовать. Они ожидали, что весь сигнал будет тогда простой суммой уже известных "паразитных шумов". Но оказалось, что кроме них система регистрирует некоторый слабый дополнительный радиошум, интенсивность которого не зависит ни от направления антенны, ни от времени суток.

VIII. Расширение Вселенной
По данным современной наблюдательной астрономии звезды во Вселенной группируются в галактики, которые, в свою очередь, также образуют скопления. Представление о порядках величин дают следующие цифры: наша Галактика содержит ~ 1011 звезд и имеет форму линзы диаметром 80 тысяч световых. Ближайшая к нам галактика  в созвездии Андромеды удалена от нас на расстояние порядка 2 миллионов световых лет. Мы находимся на периферии гигантского скопления более тысячи галактик с центром в направлении созвездия Девы. Возможности современной техники показывают, что в крупных масштабах Вселенная однородна и изотропна. В любой сфере с достаточно большим диаметром содержится приблизительно одинаковое число галактик. Окружающие нас галактики двигаются по закону «разбигания», который открыл Хаббл в 1929 году.

Скорость «разбигания»: Н =15км/с/10⁶ световых лет (постоянная Хаббла). "Возраст Вселенной"  можно оценить, если предположить, что постоянная Хаббла   в процессе расширения остается неизменной: получается   15 миллиардов лет.
IX. Будущее Вселенной
Оставляя в стороне спорный вопрос, касающийся образования галактик, посмотрим, что говорят современная теория и данные наблюдений относительно будущего развития Вселенной и ее вероятного конца.

Вне всякого сомнения, именно гравитационное взаимодействие определит дальнейший ход событий. Достаточно ли во Вселенной вещества для того, чтобы силы тяготения, в конечном счете, остановили процесс расширения и заставили галактики вновь начать падать друг на друга, в результате чего Вселенная закончила бы свое существование в неком «Большом сжатии». Или же наоборот, Вселенная будет расширяться бесконечно?

Процесс расширения Вселенной можно рассматривать, используя понятие скорости убегания. Согласно закону всемирного тяготения Ньютона, эффективная гравитационная сила, действующая на частицу, находящуюся внутри пустой сферической оболочки, равна нулю - притяжение, вызываемое разными частями оболочки, взаимно компенсируется. То же имеет место и в общей теории относительности. Следовательно, если выбрать для исследования типичную сферическую область Вселенной, то все остальное можно считать полой толстостенной оболочкой, расположенной вне интересующей нас области, поскольку в силу космологического принципа все направления во Вселенной равноправны, а вещество в ней распределено равномерно. Тогда можно допустить, что на галактику, расположенную у края выбранной нами области, действуют силы притяжения только со стороны вещества, находящегося внутри выбранной сферы.

Если это вещество распределено равномерно, то галактика будет притягиваться к центру сферы так, как если бы там была сосредоточена вся заключенная внутри сферы масса. В своем движении относительно центра сферы эта «пробная» галактика должна вести себя, как снаряд, выпущенный «наружу» из этой точки. Если скорость галактики достаточно велика, т. е. если она превышает скорость убегания, характерную для этой сферической области, то галактика будет продолжать свое движение вечно (открытая Вселенная), но если скорость галактики недостаточна, то она в конце концов уменьшится до нуля, после чего галактика начнет двигаться к центру сферы (замкнутая Вселенная).

Зная скорость разбегания галактик - она определяется значением постоянной Хаббла, - можно оценить необходимую величину массы, которая должна содержаться в данном объеме пространства, чтобы расширение когда-то прекратилось; иначе говоря, требуется рассчитать среднее значение плотности вещества, которая обеспечила бы существование замкнутой Вселенной. Если окажется, что средняя плотность вещества превышает некоторое значение, называемое критической плотностью, то Вселенная через какое-то время должна перестать расширяться - тогда поле битвы останется за силами тяготения и коллапс вещества Вселенной будет неизбежным.


X. Заключение
Если наша Вселенная будет неограниченно расширяться - а об этом свидетельствуют почти все данные наблюдений, - то, что ее ожидает в будущем?

По мере расширения пространства материя становится все более разреженной, галактики и скопления все более удаляются друг от друга, а температура фонового излучения неуклонно приближается к абсолютному нулю. Со временем все звезды завершат свой жизненный цикл и превратятся либо в белых карликов, остывающих до состояния холодных черных карликов, либо в нейтронные звезды или черные дыры. Эра светящегося вещества закончится, и темные массы вещества, элементарных частиц и холодного излучения будут бессмысленно разлетаться в непрерывно разрежающейся пустоте.

Дж.Б.Берроу из Оксфордского университета и Ф.Типлер из Калифорнийского университета нарисовали такую картину отдаленного будущего неограниченно расширяющейся Вселенной. Даже внутри старой нейтронной звезды сохраняется еще достаточно энергии, чтобы время от времени сообщать частицам, находящимся вблизи ее поверхности, скорость, превышающую скорость убегания; предполагается, что в результате этого через достаточно продолжительное время все вещество нейтронной звезды должно испариться. Распадутся и черные дыры, вызвав рождение (в равных пропорциях) частиц и античастиц.

По мнению Берроу и Типлера, если запас энергии во Вселенной достаточен только для того, чтобы обеспечить ее неограниченное расширение, то эффект электрического притяжения в электронно-позитронных парах перевесит и гравитационное притяжение, и общее расширение Вселенной как целого; поэтому за конечное время все электроны провзаимодействуют со всеми позитронами. В конечном итоге последней стадией существования материи окажутся не разлетающиеся холодные темные тела или черные дыры, а безбрежное море разреженного излучения, остывающего до конечной, повсюду одинаковой, температуры.

Второе начало термодинамики предсказывает, что конец Эволюции Вселенной наступит, когда выровняется температура ее вещества - так как тепло передается от более теплых тел к более холодным, различие их температур со временем сглаживается, и совершение работы становится невозможным. Эта мысль о «тепловой смерти» Вселенной была высказана еще в 1854г. Германом Гельмгольцем (1821-1894). Небезынтересно отметить, что наше современное представление о неограниченно расширяющейся Вселенной вместе с концепцией квантового излучения черных дыр, которая основана на аналогии между гравитацией и термодинамикой, по существу, привело, только к выводам, сделанным Гельмгольцем.

Мы не знаем с определенностью, каков должен быть исход противоборства расширения Вселенной и гравитационного притяжения ее вещества.

В неясном далеком будущем прошедшая эпоха звездной активности может показаться лишь кратчайшим мгновением в бесконечной жизни Вселенной. Так неужели, же Вселенная обречена на вечное расширение? Пока все данные говорят именно об этом, хотя нельзя без боли думать о превращении нашего удивительного и сложного мира в бесформенную темную пустоту. По-видимому, многим была бы больше по душе пульсирующая модель, дающая надежду на возрождение пусть не живых существ, но по крайней мере таких привычных нам вещей, как вещество и излучение. Однако, что бы мы ни предпринимали, это не изменит ни плотности космического вещества, ни судьбы космоса - нам остается принимать его таким, каков он есть: Вселенную не выбирают

XI. Список литературы
1. Вайнберг С. Первые три минуты. М.: Энергоиздат, 1981.[1]

2. Ресурс интернета http://ru.wikipedia.org/wiki

3.Ресурс Интернета http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests_exp.html[2],[4]

4. Девис П. Суперсила: Пер. с англ./Под ред. и с предисл. Е. М. Лейкина. –

М.: Мир, 1989. —272 с.

5. Картер A. Взаимная космология: Пер. с англ. Козлов С. –

http://progstone.nm.ru/, 1999

6. John G. Fox, Evidence Against Emission Theories, American Journal of

Physics, Vol. 33, №1, с.1–17, январь 1965.

7. Силк Дж. Большой взрыв. М.: Мир, 1982

8. Васильев А. Н. Эволюция вселенной – С.-П.: Санкт-Петербургский

государственный университет, ресурс интернета, http://www.nature.ru/db/[3]

9. Зельдович Я.Б. Современная космология// Природа. 1983. No 9. С. 11 - 24.[5]

10. Для создания слайдов презентации использованы кадры видеоролика ресурса Интернет www.youtube.com


Приложение

В 1929 году Эдвин Хаббл объявил, что его наблюдения галактики за пределами нашего Млечного Пути показало, что они систематически удаляются от нас со скоростью, которая была пропорциональна их расстоянию от нас. Чем дальше галактика, тем быстрее она удалялась от нас. Вселенная расширяется, в конце концов, так же, как общая теория относительности первоначально предсказано! Хаббл заметил, что свет от данной галактики был перенесен дальше по направлению к красному концу спектра света далее, что галактика была от нашей галактики. Конкретный вид расширения закон Хаббла важно: скорость удаления пропорциональна расстоянию. Хаббл выразил эту идею в уравнении - расстояние / время на мегапарсек. Мегапарсек действительно большое расстояние (3260000 световых лет). Текущие результаты WMAP показать Постоянная Хаббла быть 71,0 ± 2,5 (км / с) / Мпк.[2]




Изображения галактик в формировании[4]


Карта реликтового излучения от космического эксперимента Планка


Авторы и права: ЕКА, коллаборация эксперимента Планк

Перевод: Вольнова А.А.

Из чего сделана наша Вселенная? Чтобы выяснить это, Европейское Космическое Агентство запустило на орбиту космическую обсерваторию Планк. Этот аппарат должен составить беспрецедентно детальную карту мельчайших вариаций температуры самой древней из известных поверхностей — космического фона, оставшегося с тех далёких времён, когда наша Вселенная впервые стала прозрачной для излучения. Это космическое микроволновое фоновое излучение, называемое реликтовым излучением и видимое во всех направлениях, похоже на сложнейший гобелен. Оно единственное может показать распределение более холодных и более горячих участков, обозначающих места, где Вселенная могла состоять из различных типов энергии и развиваться различными путями. Результаты работы эксперимента были опубликованы 25.03.2013. Они подтвердили, что наша Вселенная по большей части состоит из необычной и загадочной тёмной энергии, и даже основная часть оставшейся материи тоже тёмная. Плюс к этому, эксперимент Планк впечатляюще точно установил возраст Вселенной — около 13.81 миллиарда лет, чуть старше, чем дают оценки по различным средним параметрам, включая данные спутника НАСА WMAP — а также измерил темп расширения Вселенной — 67.3 (+/- 1.2) километров в секунду на мегапарсек, что чуть медленнее предыдущих оценок. Происхождение некоторых особенностей этой карты, приведённой выше, остаётся неизвестным: например, почему вариации температуры на одном полушарии кажутся более сильными, чем на другом.