Модель Большого взрыва
РЕФЕРАТ
Модель Большого взрыва
Введение
Для приспособления, адаптации к окружающему миру, человек с
древнейших времен ведет наблюдение за доступной, действительной и тождественной
его сознанию средой. Эта среда постоянно расширяется со времени выхода предков
современного человека с территории африканского континента, образования первых
цивилизаций в Европе, Азии, расселения по всей планете и до современности, в
которой действуют космические экспедиции. Знания, полученные в результате наблюдения
человек накапливает, проверяет, структурирует, объединяет по определенным
признакам, а также воспроизводит для достижения различных результатов.
Параллельно с естественнонаучным знанием существует вера, также стремящаяся
объяснить окружающий мир, однако исходит не из наблюдения, а из религиозных
догм, писаний. Одним из продуктов, являющимся результирующей полученных знаний
является теория Большого взрыва. Данная теория формулируется в астрономии,
физике, философии, а также специальной науке - космологии, она является
неотъемлемой частью современных представлений человека об окружающем мире.
Основные её положения сформулированы вначале 20 века. Все наблюдаемые явления
можно было объяснить, как с помощью теории, в которой Вселенная существует
вечно, так и с помощью теории, согласно которой Вселенную сотворили в какой-то
определенный момент времени таким образом, чтобы все выглядело, как если бы она
существовала вечно. Физикам прошлого И. Ньютону и А. Эйнштейну Вселенная
представлялась статичной. «Опасаясь» неминуемого ее гравитационного
схлопывания, И. Ньютон предположил, что галактик бесконечно много. А. Эйнштейн
в своей теории относительности искусственно ввел «космологический член»,
обеспечивающий силы отталкивания небесных тел с большими массами. Это было в
1917 г. Но в том же переломном 1917 г. американец В. Слайфер опубликовал работу
о разбегании космических туманностей и вслед за ним советский физик А. Фридман
в 1924 г. выступил с теорией «разбегающихся» галактик - расширяющейся
Вселенной. Это было революционным переворотом в физическом представлении о
нашем мире. Прошло еще несколько лет, и в 1929 г. американец Эдвин Хаббл
совершил 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. При таких условиях все законы науки теряют смысл и не позволяют
предсказывать будущее. Если в еще более ранние времена и происходили какие-либо
события, они все равно никак не смогли бы повлиять на то, что происходит сейчас.
Из-за отсутствия же наблюдаемых следствий ими можно просто пренебречь. Большой
взрыв можно считать началом отсчета времени в том смысле, что более ранние
времена были бы просто не определены. Подчеркнем, что такое начало отсчета
времени очень сильно отличается от всего того, что предлагалось до Хаббла.
Начало времени в неизменяющейся Вселенной есть нечто, что должно определяться
чем-то, существующим вне Вселенной; для начала Вселенной нет физической
необходимости. Сотворение Богом Вселенной можно в своем представлении относить
к любому моменту времени в прошлом. Если же Вселенная расширяется, то могут
существовать физические причины для того, чтобы она имела начало. Можно
по-прежнему представлять себе, что именно Бог создал Вселенную - в момент
большого взрыва или даже позднее (но так, как если бы произошел большой взрыв).
Однако было бы абсурдно утверждать, что Вселенная возникла раньше большого
взрыва.
Большой взрыв - космологическая модель, описывающая раннее
развитие Вселенной, а именно - начало расширения Вселенной, перед которым
Вселенная находилась в сингулярном состоянии. Космологическая сингулярность -
состояние Вселенной в начальный момент Большого Взрыва, характеризующееся
бесконечной плотностью и температурой вещества. Таким образом, Большой взрыв
- это стремительное уменьшение изначально огромной плотности, температуры и
давления вещества, сконцентрированного в очень малом объеме Вселенной.
1. История развития представлений о Большом
Взрыве
- 1916 - вышла в свет работа физика Альберта
Эйнштейна «Основы общей теории относительности», в которой он завершил создание
релятивистской теории гравитации.
- 1917 - Эйнштейн на основе своих уравнений
поля развил представление о пространстве с постоянной во времени и пространстве
кривизной (модель Вселенной Эйнштейна, знаменующая зарождение космологии), ввёл
космологическую постоянную Λ. (Впоследствии Эйнштейн
назвал введение космологической постоянной одной из самых больших своих ошибок;
уже в наше время выяснилось, что Λ-член играет важнейшую
роль в эволюции Вселенной). В. де Ситтер выдвинул космологическую модель
Вселенной (модель де Ситтера) в работе «Об эйнштейновской теории гравитации и
её астрономических следствиях».
- 1922 - советский математик и геофизик А.А.
Фридман нашёл нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна и
предсказал расширение Вселенной (нестационарная космологическая модель,
известная как решение Фридмана). Если экстраполировать эту ситуацию в прошлое,
то придётся заключить, что в самом начале вся материя Вселенной была сосредоточена
в компактной области, из которой и начала свой разлёт. Поскольку во Вселенной
очень часто происходят процессы взрывного характера, то у Фридмана возникло
предположение, что и в самом начале её развития также лежит взрывной процесс -
Большой взрыв.
- 1923 - немецкий математик Г. Вейль
отметил, что если в модель де Ситтера, которая соответствовала пустой
Вселенной, поместить вещество, она должна расширяться. О нестатичности
Вселенной де Ситтера говорилось и в книге А. Эддингтона, опубликованной в том
же году.
- 1924 - К. Вирц обнаружил слабую корреляцию
между угловыми диаметрами и скоростями удаления галактик и предположил, что она
может быть связана с космологической моделью де Ситтера, согласно которой
скорость удаления отдалённых объектов должна возрастать с их расстоянием.
- 1925 - К.Э. Лундмарк и затем Штремберг,
повторившие работу Вирца, не получили убедительных результатов, а Штремберг
даже заявил, что «не существует зависимости лучевых скоростей от расстояния от
Солнца». Однако было лишь ясно, что ни диаметр, ни блеск галактик не могут
считаться надёжными критериями их расстояния. О расширении непустой Вселенной
говорилось и в первой космологической работе бельгийского теоретика Жоржа
Леметра, опубликованной в этом же году.
- 1927 - опубликована статья Леметра
«Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая
радиальные скорости внегалактических туманностей». Коэффициент
пропорциональности между скоростью и расстоянием, полученный Леметром, был
близок к найденному Э. Хабблом в 1929. Леметр был первым, кто чётко заявил, что
объекты, населяющие расширяющуюся Вселенную, распределение и скорости движения
которых и должны быть предметом космологии - это не звёзды, а гигантские
звёздные системы, галактики. Леметр опирался на результаты Хаббла, с которыми
он познакомился, будучи в США в 1926 г. на его докладе.
- 1929 - 17 января в Труды Национальной
академии наук США поступили статьи Хьюмасона о лучевой скорости NGC 7619 и
Хаббла, называвшаяся «Связь между расстоянием и лучевой скоростью
внегалактических туманностей». Сопоставление этих расстояний с лучевыми
скоростями показало чёткую линейную зависимость скорости от расстояния, по
праву называющуюся теперь законом Хаббла.
- 1948 - выходит работа Г.А. Гамова о
«горячей вселенной», построенная на теории расширяющейся вселенной Фридмана. По
Фридману, вначале был взрыв. Он произошёл одновременно и повсюду во Вселенной,
заполнив пространство очень плотным веществом, из которого через миллиарды лет
образовались наблюдаемые тела Вселенной - Солнце, звёзды, галактики и планеты,
в том числе Земля и всё что на ней. Гамов добавил к этому, что первичное
вещество мира было не только очень плотным, но и очень горячим. Идея Гамова
состояла в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходили
ядерные реакции, и в этом ядерном котле за несколько минут были синтезированы
лёгкие химические элементы. Самым эффектным результатом этой теории стало
предсказание космического фона излучения. Электромагнитное излучение должно
было, по законам термодинамики, существовать вместе с горячим веществом в
«горячую» эпоху ранней Вселенной. Оно не исчезает при общем расширении мира и
сохраняется - только сильно охлаждённым - и до сих пор. Гамов и его сотрудники
смогли ориентировочно оценить, какова должна быть сегодняшняя температура этого
остаточного излучения. У них получалось, что это очень низкая температура,
близкая к абсолютному нулю. С учётом возможных неопределённостей, неизбежных
при весьма ненадёжных астрономических данных об общих параметрах Вселенной как
целого и скудных сведениях о ядерных константах, предсказанная температура
должна лежать в пределах от 1 до 10 К. В 1950 году в одной научно-популярной
статье (Physics Today, №8, стр. 76) Гамов объявил, что скорее всего температура
космического излучения составляет примерно 3 К.
- 1955 - Советский радиоастроном Тигран
Шмаонов экспериментально обнаружил шумовое СВЧ-излучение с температурой около
3K.
- 1964 - американские радиоастрономы А.
Пензиас и Р. Вилсон открыли космический фон излучения и измерили его
температуру. Она оказалась равной именно 3 К. Это было самое крупное открытие в
космологии со времён открытия Хабблом в 1929 году общего расширения Вселенной.
Теория Гамова была полностью подтверждена. В настоящее время это излучение носит
название реликтового; термин ввёл советский астрофизик И.С. Шкловский.
- 2003 - спутник WMAP с высокой степенью
точности измеряет анизотропию реликтового излучения. Вместе с данными
предшествующих измерений (COBE, Космический телескоп Хаббла и др.), полученная
информация подтвердила космологическую модель ΛCDM
и
инфляционную теорию. С высокой точностью был установлен возраст Вселенной и
распределение по массам различных видов материи (барионная материя - 4%, тёмная
материя - 23%, тёмная энергия - 73%).
- 2009 - запущен спутник Планк, который в
настоящее время измеряет анизотропию реликтового излучения с ещё более высокой
точностью.
Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому
переходу - образованию физических сил и элементарных частиц в их современной
форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны,
объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких
лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной
наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей
силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась
настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы
ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии).
После эры рекомбинации материя стала прозрачной для
излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в
виде реликтового излучения.
В течение короткого промежутка времени после Большого взрыва
Вселенная была заполнена фундаментальными частицами. Эти частицы, в отличие от
нуклидов, протонов и нейтронов - неделимы. Из них и состоят, собственно,
протоны и нейтроны - основа ядерной материи. Это фундаментальные фермионы,
взаимодействующие друг с другом посредством единого, на тот период развития Вселенной,
фундаментального взаимодействия. Такое взаимодействие происходило через частицы
- бозоны. Их четыре: фотон (гаммаквант), глюон и два бозона - W и - Z. А сами
фундаментальные частицы, т.е. фермионы - это шесть видов кварков и шесть видов
лептонов.
Именно эта группа частиц из 12 фермионов, взаимодействующих
друг с другом посредством 4-х бозонов, по сути и есть зародыш Вселенной. Среди
кварков и лептонов были их антиподы - античастицы, отличавшиеся от обычных
частиц знаком некоторых характеристик взаимодействия. В простейшем случае - это
электрический заряд. Например, один из лептонов - электрон может быть как
отрицательно заряженным (е-), так и положительно (е+), в
этом случае его называют позитроном. Античастицы существуют практически у всех
частиц, за исключением фотона (у).
Сверхвысокие начальные температуры Вселенной приводили к
столкновениям частиц и их взаимному превращению.
Диаграмма Большого взрыва - сотворения мира с основными
моментами и характеристиками расширяющейся Вселенной. До 10'6 сек
господствовала эпоха Великого объединения всех трех фундаментальных
взаимодействий, закончившаяся слиянием кварков в адроны. На 10 секунде
наступила эра доминирования излучения над веществом (радиационная эра). Лишь
через 40000 лет вещество начало преобладать над излучением, что привело к
образованию атомов (через 400000 лет). Эра вещества продолжается до наших дней,
спустя более 13 миллиардов лет после Начала.
.
Возраст Вселенной
По исследованиям космического спутника WMAP9, возраст
наблюдаемой Вселенной составляет 13,830 ± 0,075 млрд лет. Новые данные,
полученные с помощью мощного телескопа-спутника «Планк», принадлежащего
Европейскому космическому агентству, показывают, что возраст Вселенной
составляет 13,798 ± 0,037 миллиарда лет (68%-й доверительный интервал). WMAP9
(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) - космический аппарат НАСА,
предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в
результате Большого взрыва. Запущен 30 июня 2001 года. С октября 2001 по 2009
год передавал на Землю результаты сканирования небесной сферы; на основе данных
была составлена радиокарта неба на нескольких длинах волн: от 1,4 см до 3 мм. В
настоящий момент выведен из эксплуатации.
Образование и развитие Вселенной по современным
представлениям, основанным на теории Большого взрыва приведено на рис.
История Вселенной
Заключение
вселенная модель взрыв
Теория Большого взрыва применяется для естественнонаучного
описания образования Вселенной. Отправной исторической точкой для её
формирования можно считать открытие теории относительности в начале 20 века,
которая позволяет по-новому описывать образование и природу энергии
взаимодействия на микро и макро уровнях, череда открытий, дополнений,
экспериментов продолжается до наших дней. Самые значимые из них - это: 1929 год
- Эдвин Хаббл сформулировал эмпирический Закон Красного смещения для галактик
(Закон Хаббла), который, если интерпретировать красное смещение как меру
скорости удаления, согласуется с решениями Эйнштейновских уравнений общей
теории относительности для гомогенных изотропных расширяющихся пространств.
Хотя основные концепции, лежащие в основе теории расширяющейся Вселенной были
хорошо известны и понятны и ранее, это утверждение, сделанное Эдвином Хабблом и
Милтоном Хьюмасоном, привело к гораздо большему и широкому признанию этой точки
зрения, которая утверждает, что чем больше расстояние между какими-либо двумя
галактиками, тем выше скорость их взаимного удаления (то есть тем быстрее они
разлетаются друг от друга); 1964 - американские радиоастрономы А. Пензиас и Р.
Вилсон открыли космический фон излучения и измерили его температуру. Она
оказалась равной именно 2,73 К. Подтверждение теории Гамова. В настоящее время
это излучение носит название реликтового; термин ввёл советский астрофизик И.С.
Шкловский.
Эксперименты современности это в первую очередь коллайдеры в
Женеве, Чикаго, Новосибирске и др. городах в развитых странах мира (коллайдер -
ускоритель на встречных пучках, предназначенный для изучения продуктов их соударений)
- изучение частиц и полей; а также космические экспедиции и спутники - изучение
космического пространства.
Модель Большого взрыва описывает раннее развитие Вселенной -
начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном (характеризующемся
бесконечной плотностью и температурой вещества) состоянии. По современным
представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,77 ± 0,059 млрд
лет назад из «сингулярного» состояния и с тех пор непрерывно расширяется и
охлаждается.