Происхождение Вселенной и момент Большого Взрыва

Происхождение Вселенной и момент Большого Взрыва

Содержание

Введение .  Теоретическая часть

.1.  Гипотетические представления о Вселенной

1.2.   До Большого Взрыва

.3.     Момент Большого Взрыва

.4.     Развитие Вселенной после Большого Взрыва

II.  Практическая часть

.1.  Таблица «Принципы познания в естествознании»

2.2.   Комментарий высказывания

Заключение

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Введение

Многие религии, такие как, Еврейская, Христианская и Исламская, считали, что Вселенная создалась Богом и довольно недавно. Например, епископ Ушер вычислил дату в четыре тысячи четыреста лет для создания Вселенной, прибавляя возраст людей в Ветхом Завете. Фактически, дата библейского создания не так далека от даты конца последнего Ледникового периода, когда появился первый современный человек.

С другой стороны, некоторые люди, например, греческий философ Аристотель, Декарт, Ньютон, Галилей предпочли верить в то, что Вселенная, существовала, и должна была существовать всегда, то есть вечно и бесконечно. Вселенная была по существу неменяющейся во времени. Время абсолютно однородно и синхронизировано. В любой точке вселенной оно одинаково. Или она была создана в своей настоящей форме, или она существовал всегда, подобно сегодняшней. Это было естественное убеждение в то время, поскольку человеческая жизнь, на самом деле, очень короткий отрезок истории, которую вселенная значительно не изменила по сравнению с возрастом самой вселенной.

В статической, неменяющейся вселенной, вопрос о том, что вселенная существовала всегда, или создалась в прошлом, - действительно материал для метафизики или религии: каждая теория могла бы принять во внимание такую вселенную.

В 1781 философ Иммануил Кант написал необычную и очень неясную работу «Критика Чистого Разума». В ней он привел одинаково правильные доводы, что Вселенная имела начало, и что его не было.

Таким образом, перед учеными вставала проблема выбора между верой в бога и материальной верой. Они еще не знали первопричин происхождения вселенной так как у них не было в то время достаточной научной базы. Вера в Бога была более предпочтительна. Исторически христианство было старше, чем наука и естественно немногие воспринимали науку серьезно, но со временем она набирала силу и все чаще люди поворачивали голову в ее сторону.

Целью курсовой работы является изучение происхождения Вселенной и момент Большого Взрыва.

В процессе написания работы решались следующие задачи:

.        рассмотреть процесс происхождения и эволюции Вселенной;

.        изучить момент Большого Взрыва;

.        проанализировать строение Вселенной после Большого Взрыва.

Предметом курсовой работы является процесс и последствия Большого взрыва, объектом - Вселенная.

I.   ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Гипотетические представления о Вселенной

Овладеть пространством - таково первое желание всего живого.

(Ле Корбюзье)

Вселенная - обычно определяется как совокупность всего, что существует физически. Это совокупность пространства и времени, всех форм материи, физических законов и констант, которые управляют ими. Однако термин Вселенная может трактоваться и иначе, как космос, мир или природа. С тех пор как учёные начали изучать Вселенную, они не переставали размышлять над её загадками, над загадками её возникновения. Направляя телескопы в космос они пытаются разгадать эту загадку. Они обнаружили что почти все галактики движутся от нас и Вселенная расширяется. Если это и правда так, то значит, что Вселенная была гораздо меньше, чем сейчас [6].

Происхождение Вселенной объясняется в «Младшей Эдде», собрании норвежских мифов, обработанных около 1220 года исландским магнатом Снорри Стурлусоном. Сначала, говорится в «Эдде», не было вообще ничего: «Земли еще не было, и небосвода, бездна зияла, трава не росла». К северу и югу от ничего лежали области холода и огня - Нифльхейм и Мусспельхейм [1].

Еще в 340 г. до н.э. греческий философ Аристотель в своей книге «О небе» привел два веских довода в пользу того, что Земля не плоская тарелка, а круглый шар. Во-первых, Аристотель догадался, что лунные затмения происходят тогда, когда Земля оказывается между Луной и Солнцем. Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а это может быть лишь в том случае, если Земля имеет форму шара. Будь Земля плоским диском, ее тень имела бы форму вытянутого эллипса, если только затмение не происходит всегда именно в тот момент, когда Солнце находится точно на оси диска.

Во-вторых, по опыту своих путешествий греки знали, что в южных районах Полярная звезда на небе располагается ниже, чем в северных. Зная разницу в кажущемся положении Полярной звезды в Египте и Греции, Аристотель сумел даже вычислить, что длина экватора равна 400 000 стадиев. Что такое стадий, точно неизвестно, но он близок к 200 метрам, и, стало быть, оценка Аристотеля примерно в 2 раза больше значения, принятого сейчас. Аристотель думал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды вращаются вокруг нее по круговым орбитам. Он так полагал, ибо в соответствии со своими мистическими воззрениями Землю считал центром Вселенной, а круговое движение - самым совершенным.

Птолемей во II веке развил идею Аристотеля в полную космологическую модель. Земля стоит в центре, окруженная восемью сферами, несущими на себе Луну, Солнце и пять известных тогда планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн (рисунок 1.1). Сами планеты, считал Птолемей, движутся по меньшим кругам, скрепленным с соответствующими сферами. Это объясняло тот весьма сложный путь, который совершают планеты. На самой последней сфере располагаются неподвижные звезды, которые, оставаясь в одном и том же положении друг относительно друга, движутся по небу все вместе как единое целое. Что лежит за последней сферой, не объяснялось, но во всяком случае это уже не было частью той Вселенной, которую наблюдает человечество.

Рисунок 1.1 - Космологическая модель Птолемея

Модель Птолемея позволяла неплохо предсказывать положение небесных тел на небосводе, но для точного предсказания ему пришлось принять, что траектория Луны в одних местах подходит к Земле в 2 раза ближе, чем в других. Это означает, что в одном положении Луна должна казаться в 2 раза большей, чем в другом. Птолемей знал об этом недостатке, но тем не менее его теория была признана, хотя и не везде. Христианская Церковь приняла Птолемееву модель Вселенной как не противоречащую Библии, ибо эта модель была очень хороша тем, что оставляла за пределами сферы неподвижных звезд много места для ада и рая.

Однако в 1514 г. польский священник Николай Коперник предложил еще более простую модель (рисунок 1.2). Его идея состояла в том, что Солнце стоит неподвижно в центре, а Земля и другие планеты обращаются вокруг него по круговым орбитам. Прошло почти столетие, прежде чем идею Коперника восприняли серьезно [3].

Рисунок 1.2 - Модель Вселенной Коперника

Два астронома - немец Иоганн Кеплер и итальянец Галилео Галилей - публично выступили в поддержку теории Коперника, несмотря на то что предсказанные Коперником орбиты не совсем совпадали с наблюдаемыми. Теории Аристотеля, Птолемея пришел конец в 1609 г., когда Галилей начал наблюдать ночное тения, согласно которому всякое тело во Вселенной притягивается к любому другому телу с тем большей силой, чем больше массы этих тел и чем меньше расстояние между ними. Это та самая сила, которая заставляет тела падать на землю. Далее Ньютон показал, что, согласно его закону, Луна под действием гравитационных сил движется по эллиптической орбите вокруг Земли, а Земля и планеты вращаются по эллиптическим орбитам вокруг Солнца. Модель Коперника помогла избавиться от Птолемеевых небесных сфер, а заодно и от представления о том, что Вселенная имеет какую-то естественную границу. Поскольку «неподвижные звезды» не изменяют своего положения на небе, если не считать их кругового движения, связанного с вращением Земли вокруг своей оси, естественно было предположить, что неподвижные звезды - это объекты, подобные нашему Солнцу, только гораздо более удаленные.

В 1691 г. в письме Ричарду Бентли, еще одному выдающемуся мыслителю того времени, Ньютон говорил, что так действительно должно было бы произойти, если бы у нас было лишь конечное число звезд в конечной области пространства. Но, рассуждал Ньютон, если число звезд бесконечно и они более или менее равномерно распределены по бесконечному пространству, то этого никогда не произойдет, так как нет центральной точки, куда им нужно было бы падать.

Еще одно возражение против модели бесконечной статической Вселенной обычно приписывается немецкому философу Генриху Олберсу, который в 1823 г. опубликовал работу, посвященную этой модели. Возражение таково: в бесконечной статической Вселенной любой луч зрения должен упираться в какую-нибудь звезду. Но тогда небо даже ночью должно ярко светиться, как Солнце. Контраргумент Олберса состоял в том, что свет, идущий к нам от далеких звезд, должен ослабляться из-за поглощения в находящемся на его пути веществе. Но в таком случае само это вещество должно нагреться и ярко светиться, как звезды. Единственная возможность избежать вывода о ярко, как Солнце, светящемся ночном небе - предположить, что звезды сияли не всегда, а загорелись в какой-то определенный момент времени в прошлом. Тогда поглощающее вещество, возможно, еще не успело разогреться или же свет далеких звезд еще не дошел до нас.

Другое основание выдвинул Блаженный Августин в книге «Град Божий». Он указал на то, что цивилизация прогрессирует, а мы помним, кто совершил то или иное деяние и кто что изобрел. Поэтому человечество, а значит, вероятно, и Вселенная, вряд ли очень долго существуют. Блаженный Августин считал приемлемой дату сотворения Вселенной, соответствующую книге «Бытия» приблизительно 5000 год до нашей эры. Интересно, что эта дата не так уж далека от конца последнего ледникового периода - 10 000 лет до н. э., который археологи считают началом цивилизации.

В 1929 г. Эдвин Хаббл сделал эпохальное открытие: оказалось, что в какой бы части неба ни вести наблюдения, все далекие галактики быстро удаляются от нас. Иными словами, Вселенная расширяется. Это означает, что в более ранние времена все объекты были ближе друг к другу, чем сейчас. Значит, было, по-видимому, время, около десяти или двадцати тысяч миллионов лет назад, когда они все находились в одном месте, так что плотность Вселенной была бесконечно большой. Сделанное Хабблом открытие перевело вопрос о том, как возникла Вселенная, в область компетенции науки. Наблюдения Хаббла говорили о том, что было время - так называемый большой взрыв, когда Вселенная была бесконечно малой и бесконечно плотной [10].

1.2 До Большого Взрыва

На вопрос о том, что же было до Большого Взрыва, ученые пытаются найти ответ последние несколько десятков лет, равно как и понять, а как, собственно появился тот мир, который мы считаем столь обычным. И все же, с чего все началось? Веками ученые и богослужители пытались найти ответ на этот вопрос.

Но и ученые, и богословы сходились во мнении, что Вселенная статична и неизменна. То есть ни тысячелетия до, ни десятки тысяч лет спустя, картина звездного неба не изменится.

Взгляды на мир кардинальным образом поменялись лишь в 1929 году, когда американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил расширение Вселенной. Этот факт совершенно противоречил идеям статичности Вселенной. Открытие расширяющейся Вселенной было одним из великих интеллектуальных переворотов двадцатого века.

Поскольку Вселенная не была уже неизменной, она должна была каким-то образом возникнуть. Естественно, вскоре стали появляться теории ее появления. Они основывались на том, что если бы мы повернули время вспять, то галактики стали бы сжиматься, а температура Вселенной повышаться, пока она не сжалась бы в сингулярность [12].

Физики стали разрабатывать математическое основание процессов возникновения Вселенной из точки. Так, в 1930 году Хаббл предложил теорию, впоследствии названную теорией Большого Взрыва. Она основывалась на том, что Вселенная возникла в результате взрыва из сингулярности. В результате расширения и остывания первичного горячего газа появились звезды и галактики.

Это теория хорошо согласовалась с астрономическими наблюдениями. Во-первых, галактики разбегались так, как предсказывала теория. Во-вторых, в 1964 году было обнаружено пронизывающее всю Вселенную реликтовое микроволновое излучение, которое должно было остаться после охлаждения первичного газа. И, в-третьих, в результате Большого Взрыва должно было появиться огромное количество водорода, дейтерия, гелия и лития, которое мы можем наблюдать сегодня. Не удивительно, что теория Большого Взрыва стала считаться классической теорией формирования Вселенной.

Однако все же были некоторые моменты, которые теория Большого Взрыва объяснить не могла.

1.      Где именно находится та самая точка, из которой появилась наша Вселенная?

2.      Как именно из сингулярности могло появиться столь огромное количество материи и энергии?

.        Если бы после взрыва просто расширялся и остывал газ, из которого и сформировались звезды и галактики, то Вселенная должна была бы быть однородной. Но в реальности галактики формируют скопления - галактические кластеры, которые в свою очередь входят в еще более глобальные структуры. Даже анализ реликтового излучения показал, что еще на стадии, когда во Вселенной не было ни звезд, ни галактик, неоднородности первичного газа уже существовали.

.        И, наконец, все законы физики, которыми мы описываем окружающий нас мир, просто не работают при попытке описать поведение материи и энергии в первичной сингулярности. Поэтому мы можем описывать лишь то, что произошло уже после Большого Взрыва, а не сам Большой Взрыв или особенно то, что было до него [13].

Конечно, кто-то может возразить, что поскольку пространство и время зародились в момент Большого Взрыва, то говорить о периоде до Большого Взрыва бессмысленно, ведь до просто ничего не было. Однако такое заявление не совсем логично, ведь должно же было быть что-то, что вызвало сам Большой Взрыв.

Если мы признаем существование «космического яйца» как исходной формы Вселенной и его взрыв в нуль-пункт времени, перед нами неизбежно встанет вопрос: а откуда взялось «космическое яйцо»? К несчастью, изучить «космическое яйцо» мы не можем; мы не знаем, какие процессы могли происходить внутри него; мы не имеем ни малейшего представления о том, какие силы могли удерживать его в состоянии устойчивости и какие они порождали изменения, которые, постепенно нарастая, в конце концов внезапно сделали его неустойчивым.

Если мы спросим себя, в какой форме могла существовать субстанция Вселенной, оставаясь устойчивой бесчисленные миллиарды лет, то, чтобы не напрягать излишне воображения для объяснения этой устойчивости, легче всего нам будет представить себе Вселенную в виде чрезвычайно разреженного газа. В этом случае Вселенная будет чем-то вроде «пустого пространства», которое в настоящее время существует между галактиками, а уж оно-то бесспорно устойчиво.

Однако и такой чрезвычайно разреженный газ будет испытывать воздействие своего собственного очень слабого поля тяготения. Медленно, на протяжении многих миллиардов лет, газ будет концентрироваться и Вселенная будет сжиматься. По мере повышения плотности субстанции Вселенной поле тяготения соответственно усиливается и в конце концов, по истечении еще многих миллиардов лет, сжатие Вселенной начнет убыстряться. Но сжатие, как указывал еще Гельмгольц, должно нагревать Вселенную и создавать все более и более высокие температуры в веществе, сжимаемом во все меньший и меньший объем. Растущая температура все больше и больше противодействует сжатию, вызываемому тяготением, и начинает это сжатие замедлять. Однако инерция вещества заставляет его сжиматься и после достижения температуры, уравновешивающей тяготение. Наконец, Вселенная сжимается до предела, соответствующего «космическому яйцу» или чему-то в этом роде. В какой-то момент центробежное воздействие температуры и излучения берет верх, вещество Вселенной выталкивается наружу со все нарастающей скоростью и процесс этот завершается Большим Взрывом. Согласно этой точке зрения, Вселенная начинается с состояния практической пустоты, проходит фазу сжатия до максимальной плотности, а затем через фазу расширения вновь возвращается к состоянию пустоты.

Эта модель называется гиперболической Вселенной. Ее можно изобразить графически с помощью ее радиуса кривизны Луч света, бесконечно движущийся во Вселенной, геометрию которой Эйнштейн определил как риманову, опишет гигантскую окружность, радиус которой и будет радиусом кривизны Вселенной. У сжимающейся Вселенной этот радиус будет уменьшаться, у расширяющейся - увеличиваться. В гиперболической Вселенной он будет сначала уменьшаться до минимума, а затем опять увеличиваться [8].

Рисунок 1.3 - Гиперболическая Вселенная

1.3 Момент Большого Взрыва

Мир пребывал в Золотом яйце.

Бог Род разорвал изнутри Золотое яйцо

и начал создавать видимый мир.

Все, рожденное Родом, до сих пор несет в себе его имя:

природа, родина, родители, родственники.

Ориентировочно Большой взрыв произошёл 20 млрд лет назад, него и начался и отсчёт времени.

Момент Большого Взрыва - это момент начала времени. После Большого Взрыва, но задолго до первой секунды (10^-43 секунды), космос переживает сверхбыстрое инфляционное расширение, увеличившись в 1050 раз за долю секунды.

Стандартная космологическая модель Большого Взрыва была сформулирована в 1990 году. Ей предшествовали научные открытия, совершенные в XVII-XX веках. Согласно этой модели момент Большого Взрыва характеризовался планковскими величинами для температуры Т, массы М и длины L. На рисунке 1.4 приведены численные значения этих величин.

В начальный момент Вселенная была изотропной и все типы взаимодействий имели единую константу α. Предполагается, что в этот момент вещество существовало в форме кварк-глюонной плазмы, в которой наряду с кварками и глюонами могли присутствовать лептоны, W^±- и Z⁰-бозоны. Возможно, что в этот же момент могли образоваться Х- и Y-бозоны больших масс (~ 10¹⁶ ГэВ), которые могли бы впоследствии инициировать распад протона. Эти процессы заняли очень малое время (до 10^-10 секунды) и протекали при очень высокой температуре. Под действием взрывных сил Вселенная начала расширяться и ее температура стала падать. По мере расширения Вселенной и падения ее температуры стали происходить фазовые переходы. Первый фазовый переход привел к разделению взаимодействий на сильное и электрослабое, каждое из которых стало характеризоваться своей константой взаимодействия a_s и a_w. Это произошло при температуре T₂ = 10¹⁵ ГэВ. Далее Вселенная продолжала расширяться со временем t, R = t^1/2. Затем наступил второй фазовый переход, который привел к разделению электрослабых взаимодействий на слабые и электромагнитные. Это произошло при температуре T₁ = 10 ГэВ. Выделилась константа электромагнитного взаимодействия α_е = е²/ћc = 1/137. Дальнейшее расширение Вселенной со временем стало протекать по закону R ~ t^2/3 [6].

Рисунок 1.4 - Этапы эволюции Вселенной

На рисунке 1.5 показаны изменения температуры расширяющейся Вселенной со временем для разных эр ее развития: планковская эра, кварковая эра, лептонная эра, фотонная эра, эра Материи. Этот рисунок иллюстрирует основные моменты развития Вселенной по Стандартной космологической модели Большого Взрыва.

Рисунок 1.5 - Изменение температуры Вселенной

Большой взрыв был вспышкой энергии. Спустя долю секунды началось охлаждение и образование частиц. Огненный шар начал остывать, превращаясь в густую смесь атомных частиц и образуя газы водород и гелий. Шар начал превращаться в облако материи. Постепенно из этого облака стали рождаться галактики. Спустя несколько тыс. лет туман рассеялся, а температура Вселенной снизилась сего до нескольких тысяч градусов. Через 10 млрд лет в одной из галактик, которую позже учёные назвали Млечным путем, образовались Солнце, Земля и другие планеты Солнечной системы.

Судьба Вселенной во многом зависит от её массы. Многие уверены, что Вселенная содержит намного больше вещества, чем нам удаётся наблюдать, и в настоящее время они пытаются отыскать скрытую массу. Расчёты показывают, что если бы Вселенная состояла только из тех объектов, которые мы видим, то после Большого взрыва она должна была бы расширяться слишком быстро и галактики не смогли бы образоваться.

Если скрытая масса не велика, то вероятно, что Вселенная будет продолжать своё расширение вечно. Но если эта масса очень значительна, то гравитационные силы могут постепенно замедлить расширение и снова начать сжимать вселенную.

На что был похож Большой Взрыв?

Большой взрыв не был взрывом в пространстве, а скорее это был взрыв самого пространства (рисунок 1.6), который не произошёл в определённом месте и затем не расширялся в окружающую пустоту. Это произошло всюду одновременно.

Рисунок 1.6 - Схема взрыва

После Большого Взрыва, но задолго до первой секунды (10^-43 секунды), космос переживает сверхбыстрое инфляционное расширение, увеличившись в 1050 раз за долю секунды.

Затем расширение замедляется, но первая секунда еще не наступила (еще только 10^-32 секунды). В этот момент Вселенная представляет собой кипящий «бульон» (с температурой 10²⁷ °C) из электронов, кварков и других элементарных частиц.

Быстрое остывание космоса (до 10¹³ °C) позволяет кваркам объединяться в протоны и нейтроны. Тем не менее первая секунда еще не наступила (еще только 10^-6 секунды).

На 3 минуте, слишком горячие для объединения в атомы, заряженные электроны и протоны препятствуют испусканию света. Вселенная представляет собой сверхгорячий туман (10⁸ °C).

Спустя 1 млрд. лет после Большого Взрыва, когда температура Вселенной достигла -200 °C, водород и гелий формируют гигантские «облака», которые впоследствии станут галактиками. Появляются первые звезды.

Большой Взрыв все еще движет пределы нашей Вселенной - она продолжает расширяться и охлаждаться по сей день. Но то, что случилось в Большом Взрыве, который позволил нашей планете в конечном счете сформироваться - все еще тайна [9].

1.4 Развитие Вселенной после Большого Взрыва

В одном мгновении видеть вечность…

(Уильям Блейк)

Согласно теории Большого взрыва, Вселенная <#"791644.files/image007.gif">

Приложение Б

Карта современной Вселенной.