Министерство  общего и профессионального образования  РФ

Южно-Уральский  Государственный Университет 

Кафедра физической химии 
 
 
 
 
 

Концепции современного естествознания 
 

  

Модель  Большого Взрыва и  хронология Вселенной 
 
 
 

Выполнил:

Ахмедзянов  С.М.

Ст. гр. ЭиУ-285 

Проверил:

Доцент, кандидат     технических  наук

Тепляков  Ю.Н.

  ________________ 

                        «___»______1999 г.

   

Челябинск

1999

Аннотация

 

      Эта работа посвящена проблеме изучения происхождения нашей Вселенной. В данной работе рассматриваются теория Большого Взрыва, а так же первые мгновения жизни Вселенной.

      Автор не рассматривает альтернативных теорий, не поддерживаемых большинством ученых.

      Использованы  труды российских и иностранных  учёных, а так же новейшие астрономические  безавторские материалы, полученные по сети Internet.

 

Содержание:

 

Введение

 

      Исследованием Вселенной стал заниматься еще самый древний Человек. Небо было доступно для его обозрения – оно было для него интересным. Недаром астрономия – самая древняя из наук о природе – и, по сути, почти самая древняя наука вообще.

      Не  потерял интереса к изучению проблем  космоса и Современный Человек. Но он смотрит уже немного глубже: ему не просто интересно что есть Вселенная сейчас – он жаждет знаний о том

• что было когда Вселенная рождалась?
• рождалась ли она Вообще или она глобально стационарна?
• как давно это было и как происходило?

      Для поиска ответа на все эти Непростые  ответы была отведена специальная ниша в астрономии – космология.

      Космология¹  - это физическое учение² о Вселенной как в целом, включающее в себя теорию всего охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной.

      Космология  попыталась дать ответы³ на эти вопросы. Была создана теория Большого Взрыва, а так же теории, описывающие первые мгновения рождения Вселенной, ее появление и структуризаци..

      Всё это позволяет нам понять сущность физических процессов, показывает источники, создающие современные законы физики, даёт возможность прогнозировать дальнейшую судьбу Вселенной.

      Поэтому космология, как и любая другая наука живет и  бурно развивается, принося все новые и новые  фундаментальные знания об окружающем нас мире. Хотя и не так стремительно, как например, компьютерные технологии, и  в большей мере за счет «альтернативных» теорий, но все-таки развивается.

      Данная  работа посвящена проблеме изучения происхождения нашей Вселенной: в ней рассматриваются теория Большого Взрыва, а так же первый мгновения жизни Вселенной.

 

А бал ли Большой Взрыв?

      На  этот вопрос современная наука дает совершенно определенный ответ: Большой  Взрыв был! Вот что, например, написал  по этому поводу академик Я.Б. Зельдович  в 1983 г.: «Теория «Большого Взрыва» в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Я бы даже сказал, что она столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени, и обе имели много противников, утверждавших, что новые идеи, заложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Но подобные выступления не в состоянии препятствовать успеху новых теорий»⁴.

      На  чем основана уверенность в справедливости теории «горячей Вселенной»⁵ ? Неужели существуют совершенно неопровержимые свидетельства в её пользу?

      Отвечая на все эти вопросы, заметим, что  имеется ряд данных, которые не противоречат теории «горячей Вселенной». К их числу относятся, например, данные о возрасте небесных тел. Мы знаем, что возраст Солнечной системы близок к 4,6 млрд. лет. Менее точно известен возраст самых старых звезд. Скорее всего, он близок к возрасту нашей и других галактик. (10-15 млрд. лет). Следовательно, данные о возрасте небесных тел не противоречат данным о возрасте Метагалактики. Если бы, например, получилось, что время, прошедшее от Большого Взрыва меньше, чем возраст Земли, Солнца или Галактики, то это следовало бы рассматривать как факты, противоречащие космологическим моделям Фридмана и «горячей Вселенной».

      Данные  радиоастрономии свидетельствуют  о том, что в прошлом далекие  внегалактические радиоисточники излучали больше, чем сейчас. Следовательно, эти радиоисточники эволюционируют. Когда мы сейчас наблюдаем мощный радиоисточник, мы не должны забывать  о том, что перед нами его далёкое прошлое (ведь сегодня радиотелескопы принимают волны, которые были излучены миллиарды лет назад). Тот факт, что радиогалактики и квазары эволюционируют, причем время их эволюции соизмеримо со временем существования Метагалактики, принято так же  рассматривать в пользу теории Большого Взрыва.

      Важное  подтверждение «горячей Вселенной» следует из сравнения наблюдаемой  распространенности химических элементов  с тем соотношением между количеством  гелия и водородв (около ¼ гелия и примерно ¾ водорода), которое возникло во время первичного термоядерного синтеза.

Реликтовое  излучение

      И все-таки главным подтверждением теории «горячей Вселенной» считается открытие реликтового излучения. Для космологии это открытие имело фундаментальное значение. В истории наблюдательной космологии открытие реликтового излучения, пожалуй, сопоставимо по значению с открытием расширения Метагалактики.

      Что же это за излучение и как оно  было открыто? При «отрыве»⁶ излучения от вещества, когда температура в расширяющейся Вселенной была порядка 3000-4000 К, в холде последующего расширения Вселенной температура излучения падала, но его характер (спектр) сохранился до наших дней, напоминая о далекой молодости Метагалактики. Вот поэтому советский астрофизик И.С. Шкловский предложил называть это излучение реликтовым.

      Таким образом, теория «горячей Вселенной» предсказывает  существование реликтового излучения.

      Еще в конце 40-х – начале 50-х гг. в работах Г.А. Гамова, а затем  его учениеков Р. Альфера и Р. Германа содержались предполагаемые оценки температуры реликтового излучения (от 25 до 5 К). В 1964 г. советские астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич впервые выполнили более конкретные расчеты. Они сравнили интенсивность других источников (звезды, межзвездная пыль, галактики и т.д.) в сантиметровом диапазоне длин волн. Примерно в это же время группа американских ученых во главе с Р. Дикке уже приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение, но их опередили А. Пензиас и Р. Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую Премию за открытие космического микроволнового фона (такового официальное название реликтового излучения) на волне 7,35 см.

      В отличие от группы Р. Дикке, будущие  лауреаты Нобелевской премии не искали реликтовое излучение, а в основном занимались отладкой радиоантенны для работ по программе спутниковой  связи: во время наблюдений с июля 1964 г. по апрель 1965 г. они, а так же их коллеги,  при различных положениях антенны, регистрировали космическое излучение,. Природа которого им была неясна – этим излучением как раз и оказалось реликтовое излучение.

       

Сценарий  далекого прошлого.

      Итак, нас будет интересовать эпоха, которая  отделена от нынешней на 13 – 20 млрд. лет (20 млрд. лет вычислено в соответствии с теорией «открытого мира», 13 млрд. лет – в соответствии с теорией «открытого мира»). Поскольку всё это время наша Вселенная расширялась и плотность ее непрерывно уменьшалась, в прошлом плотность должна была быть очень большой.

      Из  теории Фридамана следует, что в  прошлом плотность могла быть бесконечно большой (на самом деле существует некий предел значения плотности (»10⁹⁷  кг/м³). А с начала рассматриваемой нами андронной эры Большого Взрыва Вселенной она не превышает плотности атомного ядра (»10¹⁷  кг/м³).

      Нам необходимо так же определиться и с другими параметрами, из которых, пожалуй, самым важным, является температура. Вопрос о том, холодной или горячей была материя в ту отдаленную от нас эпоху, долгое время оставался спорным. Приводились доводы в пользу обоих состояний. Решающее доказательство того, что Вселенная была горячей, удалось получить лишь в середине 1960-х.

      В настоящее время большинство  космологов считает, что в начале расширения Вселенной материя была не только очень плотной, но и очень  горячей. А теория, рассматривающая физические процессы, происходившие на ранних стадиях расширения Вселенной, начиная с первой секунды после «начала», получила название теории «горячей Вселенной».

«Горячая  Вселенная»

      Согласно  этой теории, ранняя Вселенная напоминала гигантский ускоритель «элементарных» частиц. Слово «элементарных» взято в кавычки, так каакнаши представления о составных частях материи быстро изменяются. Если раньше к числу элементарных частиц уверенно от носили нейтроны и протоны, то сейчас эти частицы относят к числу составных, построенных из кварков.

Большой Взрыв: самое начало

      Началом работы Вселенского ускорителя был  Большой Взрыв. Этот термин очень часто применяют сегодня космологи. Наблюдаемый разлет галактик⁷ и скопления галактик – следствие Большого взрыва.  Однако, Большой Взрыв, который академик Я.Б. Зельдович назвал астрономическим, качественно отличается от каких-либо химических взрывов.

      У обоих взрывов есть черты сходства: например, в обоих случаях вещество после взрыва охлаждается при  расширении, падает и его плотность. Но есть и существенные отличия. Главное из них заключается в том, что химический взрыв обусловлен разностью давлений во взрывающемся веществе и давлением в окружающей среде (воздухе). Эта разность давлений создает силу, которая сообщает ускорение частицам заряда взрывчатого вещества.

      В астрономическом взрыве подобной разности давлений не существует. В отличие  от  химического астрономический  взрыв не начался из определенного  центра (и потом стал распространяться на все большие области пространства), а произошел сразу во всем существовавшем тогда пространстве. Представить себе это очень трудно, тем более, что «все пространство» могло быть в начале взрыва конечным (в случае замкнутого мира) и бесконечным (в случае открытого мира)…

      Пока  мало что известно, что происходило в первую секунду после начала расширения, и еще меньше о том, что было до начала расширения. Но, к счастью, это незнание не явилось помехой для очень детальной разработки теории «горячей Вселенной» и сценарий, к рассмотрению которого мы сейчас переходим, основан не на умозрительных рассуждениях, а на строгих расчетах.

      Итак,  в результате Большого взрыва 13-20 млрд. лет назад начал действовать  уникальный ускоритель частиц, в ходе работы которого непрерывно и стремительно сменяли друг друга процессы рождения и гибели (аннигиляции) разнообразных частиц. Как мы увидим в следующих главах, эти процессы во многом определили всю последующую эволюцию Вселенной, нынешний облик нашей Вселенной и создал необходимые предпосылки для возникновения и развития жизни.

Большой Взрыв: продолжение

      Итак, мы выяснили, что Вселенная постоянно  расширяется; тот момент с которого Вселенная начала расширятся, принято  считать ее началом; тогда началась первая и полная драматизма эра в  истории вселенной, ее называют  “Большим Взрывом” или английским термином Big Bang.