Вселенная реферат КСЕ. Общее представление о Вселенной
 Скачать 123.5 Kb.
|
|
Введение. Есть гипотеза, что в миг, когда кто-то постигнет истинное предназначение Вселенной и причины ее существования, она немедленно исчезнет, а на ее месте возникнет нечто еще более странное и необъяснимое. Есть и другая гипотеза, гласящая, что это уже произошло. © Дуглас Адамс. С самых ранних ступеней развития человечество волновал вопрос о происхождении и самой сущности Вселенной. Мыслители разных времен высказывали свои догадки на этот счет, предлагали собственные космологические модели, пытались постичь волнующие тайны огромных космических пространств. В наши дни, когда достижения науки и техники позволяют человечеству заглянуть в некоторые уголки величественного и загадочного космоса, Вселенная стала вызывать в душах людей еще больший трепет. В ней сокрыто великое множество пока неподвластных человеческому пониманию процессов, да и сам факт существования Вселенной является величайшей загадкой в мире. Благодаря упорному труду ученых на данный момент о Вселенной известно немало, но по сравнению с удивительными размерами мегамира количество имеющихся у человечества сведений сравнимо с каплей в океане. Но тем не менее люди, ведомые желанием к исследованию непознанного, продолжают двигаться вперед, постепенно приближаясь к разгадке глубинных тайн обширной Вселенной и ее полному пониманию. В данной работе уделяется внимание рассмотрению современных представлений о Вселенной, основных моделей ее строения и космической эволюции с точки зрения Большого взрыва. Общее представление о Вселенной. Вселенной называется вся окружающая нас часть материального мира, доступная наблюдению. Вселенная содержит разнообразные типы объектов, различающиеся размерами и массой - от элементарных частиц, атомов и молекул в малых масштабах до планет, звёзд, галактик, скоплений галактик и дисперсного вещества (газа, пыли) в больших масштабах, а также физические поля (гравитационное, электромагнитное и другие). Современное естествознание рассматривает Вселенную как один из конкретных объектов научного исследования, единственным специфическим свойством которого является его единичность, уникальность. Для изучения Вселенной и её свойств используется обычная методология, принятая в естественных науках, хотя во Вселенной существуют условия и протекают процессы, недоступные для земных лабораторий. При этом важнейшим постулатом является принцип, что фундаментальные законы природы (в частности, законы физики), установленные и проверенные в лабораторных экспериментах на Земле, остаются верными для всей Вселенной и все явления, наблюдаемые во Вселенной, могут быть объяснены на основе этих законов. Раздел физики и астрономии, занимающийся изучением Вселенной как целого, называется космологией. В прошлом неоднократно возникали дискуссии о том, могут ли такие физические свойства Вселенной, как конечность или бесконечность её временного существования и пространственного объёма, быть выведены из общефилософских соображений без использования данных наблюдений и конкретных физических теорий. В настоящее время общепризнано, что ответ на этот вопрос является отрицательным. Поскольку Вселенная не обязательно исчерпывает собой весь объективно существующий материальный мир, допустима гипотеза о существовании других вселенных. Эти вселенные рассматриваются пока только умозрительно, они могут быть либо всегда отъединёнными от нашей Вселенной, либо иметь общее с ней происхождение от одной первичной правселенной. Последняя возможность реализуется, например, в некоторых вариантах модели раздувающейся Вселенной. Существуют разные модели Вселенной: «Вселенная Эйнштейна», «Вселенная Фридмана», «Вселенная Леметра», «Вселенная Наана», «Вселенная Зельманова», соответствующие разным представлениям о ней как о целом. Основные характеристики современной Вселенной. 1. Расширение. В 1922 году советский физик Александр Фридман на основании строгих расчетов показал, что Вселенная никак не может быть стационарной, неизменной, как это считал Эйнштейн. Вселенная непременно должна расширяться, причем речь идет о расширении самого пространства, то есть об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются. Из расчетов Фридмана вытекали три возможных следствия: Вселенная и ее пространство расширяются с течением времени; Вселенная сжимается; во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения. Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселенной были получены в 1926 году, когда американский астроном Э. Хаббл открыл при исследовании спектров далеких галактик (существование которых было доказано в 1923 г. тем же Хабблом) красное смещение спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра), что было истолковано как следствие эффекта Доплера (изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника излучения и наблюдателя по отношению друг к другу) - удаление этих галактик друг от друга со скоростью, которая возрастает с расстоянием. По последним измерениям, это увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек. После этого открытия вывод Фридмана о нестационарности Вселенной получил подтверждение и в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной. Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расширения всего пространства замкнутой конечной Вселенной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной увеличиваются подобно тому, как растут расстояния между пылинками на поверхности раздувающегося мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с полным правом считать центром расширения. Дальнейшее развитие модель расширяющейся Вселенной получила в послевоенные годы и особенно в последние десятилетия благодаря исследованиям известных отечественных космологов Зельдовича и Новикова. Уточнены величины, характеризующие скорость расширения Вселенной, рассмотрены различные варианты моделей Вселенной в зависимости от средней плотности вещества в мировом пространстве, достаточно подробно намечен ход эволюции Вселенной от момента начала ее расширения. Какое же будущее ждет нашу Вселенную? Ранее уже говорилось о том, что расчеты Фридмана допускали три варианта развития событий. По какому из них идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлетающегося вещества. Это отношение можно свести к отношению плотности вещества во Вселенной к критической плотности вещества. Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяготения не остановят разбегания галактик и расширение Вселенной носит необратимый характер. В случае, когда силы гравитации точно равны кинетическим силам, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю. Через несколько десятков миллиардов лет после начала расширения Вселенной наступит состояние, которое можно назвать квазистационарным. Теоретически возможна и пульсация Вселенной. Возникает естественный вопрос: какой из трех вариантов реализуется в нашей Вселенной? Ответ на него остается за наблюдательной астрономией, которая должна оценить современную среднюю плотность вещества во Вселенной и уточнить значение постоянной Хаббла (скорость расширения галактик). Пока надежные оценки этих величин отсутствуют. На основании современных данных создается впечатление, что средняя плотность вещества во Вселенной близка к критическому значению, она либо немного больше, либо немного меньше. Но от этого “немного” зависит будущее Вселенной, правда, весьма отдаленное. Постоянная Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что он не меньше 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным временем существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет. 2. Неравномерность распределения плотности вещества во Вселенной. Еще в 60-х физики-теоретики вычислили, что галактики зародились в местах некоторого скопления материи сразу после случившегося около 13 миллиардов лет назад Большого взрыва. Эта неоднородность мирозданья в наши дни проявляется в виде ряби на пронизывающем весь космос фоновом микроволновом излучении, которое неоднократно регистрировали космические аппараты NASA и которое отражает то, что происходило спустя 400 тысяч лет после Большого взрыва, то есть задолго до формирования галактик. Во многих исследованиях подтвердились и представления о массе Вселенной: видимая материя, состоящая из атомов и стабильных субатомных частиц, занимает лишь 18% ее вещества, все остальное - темная, или скрытая, материя, которая может состоять из экзотических и пока не обнаруженных частиц, проявляющих себя лишь гравитационным воздействием. Согласно последним данным телескопических наблюдений, форма Вселенной во многом определяется скрытой энергией, загадочной силой, благодаря которой Вселенная и расширяется гораздо быстрее, чем предполагалось ранее. 3. Химический состав вещества во Вселенной. Видимое вещество во Вселенной состоит в основном из водорода Н (80-70% по массе) и гелия 4He (20-30% соответственно). Остальных химических элементов значительно меньше; их распространённость согласуется с теоретической концепцией, согласно которой вещество во Вселенной до образования звёзд представляло собой водород и 4He в указанной пропорции с малой примесью 2H, 3He и Li, а все более тяжёлые элементы образовались в звёздах. Во Вселенной не обнаружено заметного количества антивещества (за исключением малой доли антипротонов в космических лучах; эти антипротоны, по-видимому, возникли в нашей Галактике). Таким образом, Вселенная является несимметричной по барионному заряду (т.е. вещество преобладает над антивеществом). 4. Реликтовое излучение (микроволновое фоновое излучение). Вселенная пронизана радиоволнами миллиметрового диапазона, распространяющимися равномерно по всем направлениям. Это фоновое излучение Вселенной, которое называют реликтовым. Энергия, содержащаяся в реликтовом излучении, больше световой энергии, испущенной всеми звездами за время жизни. И это излучение действительно представляет собой остаток, реликт сверхплотного и горячего (с температурой в миллиарды градусов и выше) состояния Вселенной в ее далеком прошлом, когда не было ни звезд, ни галактик и все вещество представляло собой дозвездную, догалактическую плазму, более или менее однородно перемешанную с газом квантов. В расширяющейся Вселенной средняя плотность вещества зависит от времени – в прошлом плотность была больше. Однако при расширении изменяется не только плотность, но и тепловая энергия вещества (газ при расширении остывает). Это наводит на мысль, что Вселенная на ранней стадии расширения была не только плотной, но и горячей. Такую модель впервые предложил Георгий Гамов в конце 40-х годов. Как следствие, в наше время должно наблюдаться остаточное излучение (его называют реликтовым), дошедшее до нас из далекой эпохи, когда дозвездную Вселенную заполнял горячий газ. Гамов предсказал, что спектр реликтового излучения должен быть совершенно таким же, как излучение совершенно непрозрачного тела (абсолютно черного тела) с температурой в несколько кельвинов. От излучения звезд и галактик оно должно отличаться именно своим специфическим видом спектра и к тому же одинаковой интенсивностью во всех направлениях на небе, то есть высокой степенью изотропии. Открыто реликтовое излучение было совершенно случайно в 1965 году сотрудниками американской компании «Bell Telephone Laboratories» Пензиасом и Уилсоном при отладке рупорной радиоантенны, созданной для наблюдения спутника «Эхо». Они обнаружили слабый фоновый радиошум, приходящий из космоса, не зависящий от направления антенны. Дикке, Пиблс, Ролл и Вилкинсон сразу же дали космологическое объяснение измерениям Пензиаса и Уилсона, как доказательства горячей модели Вселенной. В это время Дикке и его сотрудники сами готовили аппаратуру для поисков радиофона от реликтового излучения на длине волны 3 см. Первые наблюдения Пензиаса и Уилсона были проведены на волне 7,35 см. Они показали, что температура излучения составляет около 3 градусов абсолютной шкалы Кельвина. В последующие годы многочисленные измерения были проведены на различных длинах волн от десятков сантиметра до долей миллиметра. Его температура оказалась равной величине 2,73 К, что близко к предсказанной Гамовым величине. Если измерять на одной и той же длине волны интенсивность реликтового излучения, приходящего к нам с разных направлений, то в пределах точности измерений она оказывается одинаковой. Точность измерения составляет десятые доли процента. Это обстоятельство является важным доказательством того, что расширение Вселенной происходит изотропно не только сейчас, но так было и в далеком прошлом, когда плотность вещества была в тысячи раз больше, чем современная. Ведь Вселенная сейчас практически прозрачна для реликтового излучения и оно приходит к нам с огромных расстояний. Реликтовое излучение не возникло в каких-либо источниках, подобно свету звезд или радиоволнам, родившимся в радиогалактиках. Реликтовое излучение существовало с самого начала расширения Вселенной. Оно было в том горячем веществе Вселенной, которое расширялось от сингулярности. С открытием реликтового излучения гипотеза «горячей Вселенной» получила наблюдательное основание. 5. Однородность, изотропия и структурность. В основе современной космологии лежат представления об однородности и изотропности Вселенной: во Вселенной нет каких-либо выделенных точек и направлений, т.е. все точки и направления равноправны. Это утверждение об однородности и изотропности Вселенной часто называют космологическим постулатом. В теории однородной изотропной Вселенной оказываются возможными две модели Вселенной: открытая и замкнутая. В открытой модели кривизна трехмерного пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю, Вселенная бесконечна; в такой модели расстояния между скоплениями галактик со временем неограниченно возрастают. В замкнутой модели кривизна пространства положительна, Вселенная конечна (но так же безгранична, как и в открытой модели); в такой модели расширение со временем сменяется сжатием. На основании имеющихся наблюдательных данных нельзя сделать никакого выбора между открытой и замкнутой моделями. Эта неопределенность никак не сказывается на общем характере прошлого и современного расширения, но влияет на возраст Вселенной (длительность расширения) - величину не достаточно определенную по данным наблюдений. В моделях однородной изотропной Вселенной выделяется ее особое начальное состояние - сингулярность. Это состояние характеризуется огромной плотностью массы и кривизной пространства. С сингулярности начинается взрывное, замедляющееся со временем расширение. Значение постоянной Хаббла (вернее, параметра Хаббла) определяет время, истекшее с начала расширения Вселенной, которое сейчас оценивается в 10-20 млрд. лет. Современная космология рисует картину Вселенной вблизи сингулярности. В условиях очень высокой температуры вблизи сингулярности не могли существовать не только молекулы и атомы, но даже и атомные ядра; существовала лишь равновесная смесь разных элементарных частиц. Уравнения современной космологии позволяют найти закон расширения однородной и изотропной Вселенной и описать изменение ее физических параметров в процессе расширения. Из этих уравнений следует, что начальные высокие плотность и температура быстро падали. Поведение Вселенной вблизи сингулярности во многом определяет и её современные свойства. В частности, именно вблизи сингулярности формируются флуктуации (отклонения Вселенной от однородности и изотропии), которые ответственны за образование галактик и крупномасштабной структуры Вселенной и приводят к возникновению угловой анизотропии температуры реликтового излучения. Космические тела и диффузная материя. Диффузная материя. Материя во Вселенной представлена сконденсировавшимися космическими телами и диффузной материей. Диффузная материя существует в виде разобщенных атомов и молекул, а также более плотных образований — гигантских облаков пыли и газа — газово-пылевых туманностей. Огромные межзвездные облака из светящихся разреженных газов получили название газовых диффузных туманностей. Одна из самых известных - туманность в созвездии Ориона, которая видна даже невооруженным глазом около средней из трех звезд, образующих "меч" Ориона. Газы, ее образующие, светятся холодным светом, переизлучая свет соседних горячих звезд. В состав газовых диффузных туманностей входят главным образом водород, кислород, гелий и азот. Такие газовые или диффузные туманности служат колыбелью для молодых звезд, которые рождаются так же, как некогда родилась наша Солнечная система. В межзвездном пространстве наблюдаются также диффузные пылевые туманности. Эти облака состоят из мельчайших твердых пылинок. Если вблизи пылевой туманности окажется яркая звезда, то ее свет рассеивается этой туманностью и пылевая туманность становится непосредственно наблюдаемой. Газовые и пылевые туманности могут вообще поглощать свет звезд, лежащих за ними, поэтому на снимках неба они часто видны как черные зияющие провалы на фоне Млечного Пути. Такие туманности называют темными. На небе южного полушария есть одна очень большая темная туманность, которую мореплаватели прозвали Угольным мешком. Между газовыми и пылевыми туманностями нет четкой границы, поэтому часто они наблюдаются совместно как газопылевые туманности. Диффузные туманности являются лишь уплотнениями в той крайне разреженной межзвездной материи, которая получила название межзвездного газа. Межзвездный газ обнаруживается лишь при наблюдениях спектров далеких звезд. Возникновение и бурное развитие радиоастрономии позволили обнаружить этот невидимый газ по тем радиоволнам, которые он излучает. Огромные темные облака межзвездного газа состоят в основном из водорода, который даже при низких температурах излучает радиоволны на длине 21 см. Эти радиоволны беспрепятственно проходят сквозь газ и пыль. Именно радиоастрономия помогла в исследовании формы Млечного Пути. Сегодня известно, что газ и пыль, перемешанная с большими скоплениями звезд, образуют спираль, ветви которой, выходя из центра Галактики, обвивают ее середину, создавая нечто похожее на каракатицу с длинными щупальцами, попавшую в водоворот. В настоящее время огромное количество вещества в нашей Галактике находится в виде газопылевых туманностей. Межзвездная диффузная материя сконцентрирована сравнительно тонким слоем в экваториальной плоскости нашей звездной системы. Облака межзвездного газа и пыли загораживают от нас центр Галактики. Из-за облаков космической пыли десятки тысяч рассеянных звездных скоплений остаются для нас невидимыми. Мелкая космическая пыль не только ослабляет свет звезд, но и искажает их спектральный состав. Дело в том, что когда световое излучение проходит через космическую пыль, то оно не только ослабляется, но и меняет цвет. Поглощение света космической пылью зависит от длины волны, поэтому из всего оптического спектра звезды сильнее поглощаются синие лучи и слабее - фотоны, соответствующие красному цвету. Этот эффект приводит к явлению покраснения света звезд, прошедших через межзвездную среду. Космические тела. Сразу после рекомбинации еще не существовало никаких массивных тел, космических объектов: вещество было рассеяно во Вселенной почти равномерно. Причина, по которой из однородной среды образовались массивные тела (звезды, планеты, галактики и т.д.) кроется в силе гравитации. Там, где плотность была чуть выше средней, сильнее было и притяжение, значит, более плотные образования становились еще плотнее. Изначально однородная масса со временем разделилась на отдельные "облака", из которых сформировались галактики. От рекомбинации до появления первых галактик и звезд прошли сотни миллионов лет. Нарастание возмущений (малых отклонений от среднего значения) плотности и скорости вещества в первоначально однородной среде под действием гравитационных сил называется гравитационной неустойчивостью. Она рассматривается обычно как причина образования галактик и их скоплений. Процесс формирования космических тел из разряженной газовой и газово-пылевой среды под действием гравитационных сил называется гравитационной конденсацией. Она лежит в основе процесса формирования галактик и звезд. Во Вселенной находится огромное число различных объектов, таких как планеты, спутники, звезды, черные дыры и другие. Наиболее понятным, с точки зрения большинства людей, должны быть планеты. Ведь на одной из таких планет, Земле, мы все живем. У многих планет имеются спутники - небольшие (заметно меньше планет) космические тела, вращающиеся вокруг других тел (например, планет). Также известно, что наша планета является частью Солнечной системы, где кроме нее находятся еще 7 планет (гиганты и планеты земной группы), планеты-карлики (Плутон, Хаумеа, Церера, Макемаке и Эрида), главный пояс астероидов, Солнце и т.д. Солнце – это типичный жёлтый карлик класса G2, именно вокруг него вследствие закона притяжения происходит вращение планет в Солнечной системе. Звезды очень разнообразны по своей яркости, размерам, температуре и другим параметрам. К звездам относят такие объекты как белые карлики, нейтронные звезды, гиганты и сверхгиганты, квазары и пульсары. Трудно даже себе представить, но плотность вещества в некоторых звездах может в тысячи раз превосходить плотность свинца. Звезды, в свою очередь, тоже не неподвижны. Скопление большого числа звезд вращаются вокруг некого единого центра. Такие скопления называют галактиками, а центры вращения - центром галактики. Галактика, в которую входит Солнце, называется Млечный путь. Исследование галактик показало, что большая часть материи, из которой состоят галактики, по непонятным причинам невидима. Такую материю в науке принято называть темной материей. Особый интерес представляют центы галактик. По современным представлениям, на роль объекта, находящегося в центе галактики подходит черная дыра. Черные дыры - это уникальные по своим свойствам продукты эволюции звезд. Экспериментальная достоверность существования черных дыр во многом зависит от справедливости общей теории относительности. Модель «стационарного состояния» Вселенной. Теория стационарной Вселенной была разработана в 1948 году Х. Бонди, Т. Голдом и Ф. Хойлом. Эта модель основывалась на так называемом идеальном космологическом принципе, который гласит, что Вселенная везде и всегда должна оставаться неизменной: она должна быть бесконечной в пространстве и во времени, не имея ни начала, ни конца. В модели стационарной Вселенной галактики тоже разбегались со скоростями, пропорциональными разделяющим их расстояниям, - это соответствовало данным наблюдений и разрешало парадокс Ольберса (если Вселенная бесконечна и равномерно заполнена звездами, то в каком бы направлении вы ни смотрели, вы всегда должны видеть поверхность какой-либо звезды, следовательно, все небо должно быть по крайней мере таким же ярким, как поверхность Солнца). Но за это пришлось «заплатить» нарушением закона сохранения энергии, поскольку, чтобы средняя плотность галактик в данной области пространства всегда сохранялась постоянной, должно было происходить непрерывное «творение» вещества, из которого формировались бы новые звезды и галактики, приходящие на смену разлетавшимся галактикам. Прямая наблюдательная проверка гипотезы «непрерывного творения» практически невозможна, поскольку для поддержания стационарного состояния Вселенной требуется рождение всего одного атома водорода в 1 м³ пространства за 1 млрд. лет. В 50-х и начале 60-х годов между сторонниками двух противоборствующих теорий – стационарной Вселенной и Большого взрыва шли жаркие споры, однако к середине 60-х годов стали накапливаться новые данные, явно противоречащие первой. Отдать предпочтение одной теории перед другой помог подсчет числа галактик или радиоисточников, наблюдаемых на все более далеких расстояниях. Проникая все дальше в глубь Вселенной, астрономы видят все более отдаленное ее прошлое; согласно теории стационарной Вселенной, среднее расстояние между галактиками в далеком прошлом должно быть таким же, как сейчас, а из теории Большого взрыва следует, что миллиарды лет назад галактики находились гораздо ближе друг к другу, чем ныне. Такое различие должно было проявиться в увеличении числа наблюдаемых объектов по мере того, как будут подсчитываться все более слабые (и, следовательно, более удаленные) из них. Чтобы заметить это различие, требовалось производить наблюдения на расстояниях, превышающих расстояния до обычных галактик; поэтому объектами такого подсчета стали радиогалактики. В результате глубинных обзоров Вселенной выяснилось, что число слабых источников такого рода возрастает быстрее, чем допускает теория стационарной вселенной. В 1964 году А. А. Пензиас и Р. Уилсон, сотрудники фирмы «Bell Telephone Laboratories», испытывая чувствительную радиоантенну, обнаружили очень слабое фоновое микроволновое излучение, от которого, несмотря на все их попытки, они не смогли избавиться. В 1965 г. они пришли к выводу, что это фоновое микроволновое излучение приходит из космоса и что оно в высшей степени изотропно. В момент своего возникновения Вселенная должна была представлять собой очень горячий и плотный «бульон» из вещества и излучения, остывавший по мере расширения. Через некоторое время (по современным оценкам примерно через 700 000 лет) температура должна была упасть приблизительно до 4000 К, когда из протонов и электронов могут образовываться атомы водорода. Тогда эта расширяющаяся смесь, ранее не пропускавшая электромагнитного излучения, стала для него прозрачной (нейтральные атомы взаимодействуют с излучением гораздо слабее, чем заряженные частицы), и ничем теперь не удерживаемое излучение должно было распространиться по всему объему Вселенной. Высвобожденное излучение должно было иметь свойства, характерные для излучения абсолютно черного тела при температуре 3000-4000 К, т.е. оно было похоже на излучение красноватой, слегка остывшей звезды. Излучение, сопутствующее Большому взрыву, должно было заполнить все пространство и, следовательно, быть очень изотропным. Наблюдаемые спектр и температура микроволнового фонового излучения находятся в хорошем соответствии с предсказаниями теории Большого взрыва, но никак не согласуются с теорией стационарной Вселенной. Так, случайно открытое микроволновое излучение драматическим образом показало несостоятельность теории стационарной Вселенной. Другим ключевым вопросом, обеспечившим победу теории Большого взрыва над теорией стационарной Вселенной, стала «проблема гелия». В каком бы районе Вселенной астрономы ни проводили наблюдения, они везде отмечали примерно одинаковое относительное содержание двух легчайших химических элементов – водорода и гелия; около 25-30 % вещества Вселенной составляет гелий, а почти все остальное – водород. Проблема имела два аспекта: откуда берется гелий и почему он так равномерно распределен в пространстве. Гелий образуется в звездах в процессе термоядерных реакций, которые и обеспечивают светимость звезд, но только очень немногие звезды проходят стадию сверхновых, выбрасывая свою «ядерную продукцию», превращающуюся в межзвездные облака, из которых позднее формируются новые звезды. Поэтому все наблюдаемое во Вселенной количество гелия не может «производиться» в звездах, как это утверждает теория стационарной Вселенной, согласно которой вещество рождается в виде атомов водорода. А модель Большого взрыва предполагает, что в первые несколько минут после начала расширения Вселенной возникли идеальные условия для образования гелия именно в тех относительных количествах (по сравнению с водородом), которые мы наблюдем и сегодня. В свете полученных данных – результатов подсчета радиоисточников, наличия микроволнового фонового излучения и возможного разрешения проблемы гелия – не представляется странным, что уже в начале 70-х годов теория стационарной Вселенной была окончательно отвергнута, а модель горячего Большого взрыва стала чуть ли не догмой. Модель «горячей Вселенной». Американский физик Георгий Антонович Гамов в 1946 году заложил основы одной из фундаментальных концепций современной космологии - модели "горячей Вселенной". В этой модели основное внимание переносится на состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии, когда состояние было необычным. Согласно выдвинутой Гамовым гипотезе, практически все элементы возникли в ядерных реакциях в самом начале расширения Вселенной при большой температуре, а последующий синтез элементов в звёздах за несколько миллиардов лет не успел существенно повлиять на распространённость элементов. В работах T. Хаяси, Э. Ферми и А. Туркевича было показано, что попытки объяснить существующую распространённость всех элементов их синтезом в самом начале расширения Вселенной были несостоятельными. Если строго следовать теории горячей Вселенной, то в результате ядерных реакций в начале расширения образуется только водород и гелий, примесь других лёгких элементов незначительна, а тяжёлые элементы практически совсем не образуются. Однако с открытием, что время расширения Вселенной превышает 10 млрд. лет, стало возможным объяснить распространённость тяжёлых элементов их нуклеосинтезом в звездах. В начале расширения Вселенной при большой темп-ре в термодинамическом равновесии с веществом должно было находиться электромагнитное излучение. В ходе расширения вещество и излучение остывают, и к настоящему времени во Вселенной существует низкотемпературное излучение, называемое микроволновым фоновым или реликтовым излучением, для которого вещество сегодняшней Вселенной практически прозрачно. Существование во Вселенной такого излучения, имеющего температуру всего несколько Кельвинов, было предсказано Г. Гамовым в 1956 году. В 1964 году А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков впервые рассчитали широкий спектр плотности электромагнитного излучения от всех источников в эволюционирующей Вселенной (включая радиогалактики и звёзды) и показали, что в области сантиметровых и миллиметровых волн интенсивность реликтового излучения с температурой около 1 К и выше будет на много порядков превосходить излучение отдельных источников, и оно может быть обнаружено. Открытие реликтового излучения стало решающим тестом, подтвердившим справедливость гипотезы о высокой изначальной температуре Вселенной. При очень больших плотностях и температурах все процессы взаимодействия частиц происходят чрезвычайно быстро, гораздо быстрее изменения физических условий вследствие расширения Вселенной, и поэтому имеется полное термодинамическое равновесие между всеми сортами частиц (и их античастиц), которые могут рождаться при энергиях, соответствующих данной температуре. При температуре 1013 К в равновесии находятся барионы и антибарионы, разные сорта мезонов и их античастиц, мюоны, электроны и их античастицы, все сорта нейтрино и антинейтрино, фотоны. Быстрые превращения одних частиц в другие поддерживают равновесие, количество частиц разных сортов примерно одинаково. С уменьшением температуры при расширении у взаимодействующих частиц уже не хватает энергии для рождения новых тяжёлых частиц, и эти частицы, сталкиваясь со своими античастицами, аннигилируют. Через 10-6 сек. начинают вымирать барионы, затем мезоны и мюоны. После вымирания барионов и антибарионов остаётся небольшое количество барионов, т. к. с самого начала, согласно теории, их было несколько больше, чем антибарионов. Из этих барионов и образовались позднее все небесные тела. Иная судьба у частиц с нулевой (или очень малой) массой покоя. Такими частицами являются все сорта нейтрино и антинейтрино. При охлаждении и уменьшении скоростей реакций наступает момент, когда реакции с соответствующими частицами перестают протекать и частицы становятся свободными, т. е. Вселенная для них оказывается практически прозрачной. Важно подчеркнуть, что и после освобождения частицы продолжают "остывать", уменьшать свою энергию вследствие расширения Вселенной. Это происходит потому, что свободно летящая частица переходит из одного объёма вещества в другой, удаляющейся от первого. Поэтому частица имеет относительно второго объёма меньшую энергию, чем была её энергия относительно первого объёма, и т. д. Через 10 сек. вымирают электронно-позитронные пары (они превращаются в фотоны). После этого во Вселенной остаются нейтрино и антинейтрино всех сортов, фотоны и небольшая примесь обычного вещества (одна миллиардная доля по числу частиц) в виде плазмы (смеси барионов и электронов). К сегодняшнему моменту реликтовые фотоны остыли и имеют, согласно наблюдениям, температуру 2,7 К. Помимо реликтовых фотонов сегодня должны существовать реликтовые нейтрино с температурой несколько ниже, чем у фотонов (2 K). Более высокая температура фотонов по сравнению с нейтрино объясняется тем, что пары, превратившись в фотоны, добавили свою энергию к энергии фотонов. Прямое наблюдение реликтовых нейтрино пока невозможно. Для дальнейшей эволюции Вселенной важны физические процессы, протекающие в веществе, из которого впоследствии образуются галактики, звёзды, планеты. При 2х1010 К барионы существуют в виде протонов и нейтронов. Эти частицы быстро превращаются друг в друга под влиянием окружающих энергичных частиц и устанавливается термодинамическое равновесие между количеством нейтронов и протонов. С дальнейшим понижением температуры, через несколько минут после начала расширения, начинают интенсивно протекать ядерные реакции объединения нейтронов и протонов, заканчивающиеся образованием 4He. Синтез более тяжёлых элементов не происходит, т.к. ядро 4He не присоединяет к себе нейтроны и другие имеющиеся частицы. В результате почти все нейтроны войдут в состав ядер 4He, что даст относительно содержание 4He по массе около 25% от массы всего вещества. Оставшиеся протоны составляют по массе около 75%. Примесь других элементов пренебрежимо мала. Вещество с таким составом позже образует небесные тела, в частности звёзды первого поколения. После первых пяти минут все ядерные реакции во Вселенной прекращаются. Вещество продолжает расширяться и остывать. В эту эпоху длина свободного пробега фотонов очень мала, т. к. плазма для них непрозрачна. Давление РИ препятствует образованию каких-либо изолированных объектов под действием сил тяготения. Спустя примерно 300 тыс. лет плазма остывает до 4000 К, электроны объединяются с протонами и плазма превращается в нейтральный газ. Этот газ прозрачен для реликтовых фотонов, давление РИ не влияет на состояние газа. С этого момента под действием гравитационных сил в веществе начинается рост отдельных уплотнений, из которых затем образуются небесные тела и формируется структура Вселенной. Современная теория предполагает, что наряду с открытыми частицами в формировании структуры Вселенной мог участвовать и ряд гипотетических пока частиц. Они, вероятно, сегодня также должны присутствовать во Вселенной, как и реликтовые фотоны и нейтрино. Прямое обнаружение таких частиц пока невозможно, т. к. они крайне слабо взаимодействуют с обычным веществом и могут проявлять себя только через тяготение. Важные, пока ещё не совсем ясные процессы протекали вблизи сингулярного состояния материи в самом начале расширения. Здесь при очень больших энергиях частиц объединялись, по-видимому, все виды физических взаимодействий, квантовые процессы были существенны в масштабах всей Вселенной. В ходе расширения могли происходить фазовые превращения материи, связанные с расщеплением единого взаимодействия на отдельные составляющие. Таким образом, в теории горячей Вселенной есть ещё много нерешённых проблем, главным образом относящихся к начальным стадиям расширения и к образованию небесных тел. Тем не менее, основные положения теории, описанные выше, надёжно установлены и подтверждены наблюдениями. Этапы космической эволюции с точки зрения теории Большого взрыва. В нулевой момент времени Вселенная возникла из сингулярности. В течение первой миллионной доли секунды, когда температура значительно превышала 1012 К, а плотность была немыслимо велика, должны были неимоверно быстро сменять друг друга экзотические взаимодействия, недоступные пониманию в рамках современной физики. Мы можем лишь размышлять над тем, каковы были те первые мгновения; например, возможно, что четыре фундаментальные силы природы были вначале слиты воедино. Однако есть основания полагать, что к концу первой миллионной доли секунды уже существовал первичный «бульон» богатых энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества. Эта самовзаимодействующая масса находилась в состоянии так называемого теплового равновесия. В те первые мгновения 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. 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. Когда возраст Вселенной достиг одной сотой доли секунды, ее температура упала примерно до 1011 К, став ниже порогового значения, при котором могут рождаться протоны и нейтроны, но некоторые из этих частиц все-таки избежали взаимной аннигиляции со своими античастицами – иначе в современной нам Вселенной не было бы вещества. Через 1 сек. после Большого взрыва температура понизилась примерно до 1010 К, и нейтрино, по существу, перестали взаимодействовать с веществом: Вселенная стала практически прозрачной для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова, но примерно через 10 сек. уровень плотности энергии излучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение в катастрофическом процессе взаимной аннигиляции, оставив после себя лишь незначительное количество электронов, достаточное, однако, для того, чтобы объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной. Через 3 мин. после Большого взрыва температура Вселенной понизилась до 109 К и возникли подходящие условия для образования атомов гелия: на это были затрачены практически все имевшиеся в наличии нейтроны. Спустя примерно еще минуту почти все вещество Вселенной состояло из ядер водорода и гелия, находившихся примерно в той же количественной пропорции, какую мы наблюдаем сегодня. Начиная с этого момента расширение первичного огненного шара происходило без существенных изменений до тех пор, пока через 700 000 лет электроны и протоны не соединились в нейтральные атомы водорода, тогда Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения – возникло то, что сейчас наблюдают как реликтовое фоновое излучение. 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 остывшего и терявшего плотность первичного огненного шара; тяготению же предстоит определить путь эволюции и исход жизни все 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? Есть два основных взгляда на проблему формирования галактик. Первый состоит в том, что в любой момент времени в расширяющейся смеси вещества и излучения могли существовать случайно распределенные области с плотностью выше средней. В результате действия сил тяготения эти области сначала отделились в виде очень протяженных сгустков вещества, в которых затем начался процесс фрагментации, приведший к образованию облаков меньших размеров, которые с течением времени объединились в скопления, в сверхскопления и отдельные галактики, наблюдаемые сегодня. Далее в этих меньших – галактических размеров – сгустках опять-таки под действием притяжения в случайных неоднородностях плотности началось формирование звезд. Существует и другая точка зрения на ход развития событий: вначале из флуктуаций плотности в расширяющемся первичном шаре сформировались многочисленные (малые) галактики, которые с течением времени объединились в скопления, в сверхскопления и, возможно, даже в более крупные иерархические структуры. 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, использования 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 выбирать для исследования типичную сферическую область Вселенной, то все остальное можно считать полной толстостенной оболочкой, расположенной все интересующей нас области, поскольку в силу космологического принципа все направления во Вселенной равноправны, а вещество в ней распределено равномерно. 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. Заключение. Итак, на данный момент нет никаких сомнений в том, что возникновение Вселенной стало результатом Большого взрыва. Это дало ответы на множество вопросов, которые веками волновали человечество, но вместе с тем и породило невероятное количество новых. Какие именно силы и процессы стали причиной Большого взрыва? Какая материя и в какой форме существовала в то, «довселенское», время? Вселенная, в которой мы живем – единственная в своем роде или же помимо нее где-то существуют другие вселенные? Является ли наша Вселенная частью какой-то еще более сложной структуры? По какому пути пойдет дальнейшее развитие Вселенной и какое будущее ее ждет? На все эти волнующие вопросы наука пока не может дать однозначного ответа, но обязательно придет то время, когда люди смогут найти достойное объяснение всем космическим загадкам. Ведь путь человечества, каким бы тернистым он ни был – это безудержное стремление вперед, к новым, неизведанным горизонтам. Список литературы:
|