МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

Белгородский Государственный Университет 

Факультет бизнеса и сервиса 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Эволюция  Вселенной 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила студентка

группы 170961

Зайцева Светлана Евгеньевна 
 
 

Проверил: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Белгород, 2010

Содержание

I. 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 ответы на эти вопросы. Была создана теория Большого Взрыва, а так же теории, описывающие первые мгновения рождения Вселенной, ее появление и структуризации.

      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 эволюции Вселенной: в ней рассматриваются первые мгновения жизни Вселенной, её дальнейшая эволюция и модели будушего развития Вселенной.

     Процесс эволюции Вселенной происходит очень  медленно. Ведь Вселенная во много  раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной. И всё же исследования проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес,  закрывающий от нас далекое прошлое.

     Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был настолько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.

      На  протяжении десяти миллиардов лет после  “большого взрыва” простейшее бесформенное вещество постепенно превращалось в  атомы, молекулы, кристаллы, породы, планеты. Рождались звезды, системы, состоящие из огромного количества элементарных частиц с весьма простой организацией. На некоторых планетах могли возникнуть формы жизни.

 

II. Эволюция Вселенной 

1. Теории эволюции Вселенной

     Существует несколько теорий эволюции. Теория пульсирующей Вселенной утверждает, что наш мир произошел в результате гигантского взрыва. Но расширение Вселенной не будет продолжаться вечно, т.к. его остановит гравитация.

      По  этой теории наша Вселенная расширяется на протяжении 18 млрд. лет со времени взрыва. В будущем расширение полностью замедлится, и произойдет остановка. А затем Вселенная начнёт сжиматься до тех пор, пока вещество опять не сожмется и произойдет новый взрыв.

      Теория  стационарного взрыва: согласно ей Вселенная не имеет ни начала, ни конца. Она все время пребывает в одном и том же состоянии. Постоянно идет образование нового водоворота, чтобы возместить вещество удаляющимися галактиками. Вот по этой причине Вселенная всегда одинакова, но если Вселенная, начало которой положил взрыв, будет расширяться до бесконечности, то она постепенно охладится и совсем угаснет.

      Но  пока ни одна из этих теорий не доказана, т.к. на данный момент не существует ни каких точных доказательств хотя бы одной из них. 

2. Историческое развитие представлений о Вселенной 

      Еще на заре цивилизации, когда пытливый человеческий ум обратился к заоблачным высотам, великие философы мыслили  свое представление о Вселенной, как о чем-то бесконечном. Древнегреческий  философ Анаксимандр (VI в. до н.э.) ввел представление о некой единой беспредельности, не обладавшей ни какими привычными наблюдениями, качествами, первооснове всего – апейроне³.

      Стихии  мыслились сначала как полуматериальные, полубожественные, одухотворенные субстанции. Представление о чисто материальной основе всего сущего в древнегреческой основе достигли своей вершины в учении атомистов Левкиппа и Демокрита (V-IV в.в. до н.э.) о Вселенной, состоящей из бескачественных атомов и пустоты⁴.

      Древнегреческим философам принадлежит ряд гениальных догадок об устройстве Вселенной. Анаксиандр высказал идею изолированности Земли, в пространстве⁵. Эйлалай первым описал пифагорейскую систему мира, где Земля, как и Солнце, обращались вокруг некоего «гигантского огня»⁶. Шарообразность Земли утверждал другой пифагорец Парменид (VI-V в.в. до н.э.)⁷. Гераклид Понтийский (V-IV в до н.э.) утверждал так же ее вращение вокруг своей оси и донес до греков еще более древнюю идею египтян о том, что само солнце может служить центром вращение некоторых планет (Венера, Меркурий)⁸.

      Французский философ и ученый, физик, математик, физиолог Рене Декарт (1596-1650) создал теорию об эволюционной вихревой модели Вселенной на основе гелиоцентризма⁹. В своей модели он рассматривал небесные тела и их системы в их развитии. Для XVII в. его идея была необыкновенно смелой. По Декарту все небесные тела образовывались в результате вихревых движений, происходивших в однородной в начале, мировой материи. Совершенно одинаковые материальные частицы, находясь в непрерывном движении и взаимодействии, меняли свою форму и размеры, что привело к наблюдаемому нами богатому разнообразию природы.

      Великий немецкий ученый, философ Иммануил Кант (1724-1804) создал первую универсальную  концепцию эволюционирующей Вселенной, обогатив картину ее ровной структуры, и представлял Вселенную бесконечной в особом смысле¹⁰. Он обосновал возможности и значительную вероятность возникновение такой Вселенной исключительно под действием механических сил притяжения и отталкивания и попытался выяснить дальнейшую судьбу этой Вселенной на всех ее масштабных уровнях – начиная с планетной системных и кончая миром туманности.

      Эйнштейн  совершил радикальную научную революцию, введя свою теорию относительности. Специальная или частная теория относительности Эйнштейна явилась результатом обобщения механики Галилея и электродинамики Максвелла Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения близких к скорости света.

Впервые принципиально новые космологические  следствия общей теории относительности раскрыл выдающийся советский математик и физик – теоретик Александр Фридман (1888-1925 гг.)¹¹. Выступив в 1922-24 гг. он раскритиковал выводы Эйнштейна о том, что Вселенная конечна и имеет форму четырехмерного цилиндра. Эйнштейн сделал свой вывод исходя из предположения о стационарности Вселенной, но Фридман показал необоснованность его исходного постулата¹².

      Фридман привел две модели Вселенной. Вскоре эти модели нашли удивительно  точное подтверждение в непосредственных наблюдениях движений далёких галактик в эффекте «красного смещения» в их спектрах.

В 1929 г. Хаббл открыл замечательную закономерность, которая была названа «законом Хаббла» или «законом красного смещения»: линии галактик, смещенных к красному концу, причем смещение тем больше, чем дальше находится галактика.

3. Начало Вселенной

     Процесс эволюции Вселенной происходит очень  медленно. Ведь Вселенная во много  раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни  на земле является лишь ничтожным  звеном в эволюции Вселенной. И всё же исследования, проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес, закрывающий от нас далекое прошлое.

      Современные астрономические наблюдения свидетельствуют  о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет  назад, был гигантский огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был настолько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом¹³.

     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.

      Под расширением Вселенной подразумевается  такой процесс, когда то же самое  количество элементарных частиц и фотонов  занимают постоянно возрастающий объём. Средняя плотность Вселенной  в результате расширения постепенно понижается. Из этого следует, что  в прошлом Плотность Вселенной была больше, чем в настоящее время. Можно предположить, что в глубокой древности (примерно десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была очень большой. Кроме того высокой должна была быть и температура, настолько высокой, что плотность излучения превышала плотность вещества. Иначе говоря, энергия всех фотонов содержащихся в 1 куб. см была больше суммы общей энергии частиц, содержащихся в 1 куб. см. На самом раннем этапе, в первые мгновения “большого взрыва” вся материя была сильно раскаленной  и густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных гамма-фотонов¹⁴. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но  возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы. 

     4. Периодизация эволюции Вселенной

     Эволюцию  Вселенной принято разделять  на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную и звездную.

4.1. Адронная эра

      Первая  эра называется адронной по имени  тяжелых частиц. Состав Вселенной  в начале этой эры очень сложный  и представлен частицами столь высоких энергий, что экспериментально они еще не обнаружены. Характерной особенностью адронной эры является сосуществование частиц и античастиц, т.е. вещества и антивещества. Частицы и античастицы аннигилируют и возникают вновь, распадаются и рождаются в результате взаимодействий. Аннигиляция пары «частица-античастица» означает превращение их в излучение. Это свет, рентгеновские или гамма-лучи. При громадных энергиях, процессах аннигиляции и рождения частиц, материю в адронную эру можно охарактеризовать как некую адронную плазму, представляющую бесформенную, довольно однородную смесь частиц, античастиц и излучения.

      Поэтому этот период развития материи с полным основанием может быть описан словами: «Земля же была безвидна и пуста, и  тьма над бездною»¹⁵. А слово «вода» может быть истолковано как однородная бесформенная жидкостная стихия. Именно в адронную эру возникают протоны и нейтроны, из которых потом строятся ядра элементов вещества.

 При очень высоких температурах и плотности в самом начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц.

      Через миллионную долю секунды с момента  рождения Вселенной, температура T упала  на 10 биллионов Кельвинов(10¹³K)¹⁶. Процесс аннигиляции барионов и антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов (протоны и нейтроны). Так во вселенной исчезла самая большая группа барионов - гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда.

      К моменту, когда возраст Вселенной  достиг одной десятитысячной секунды (10^-4 с.), температура ее понизилась до 10¹² K, а энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже для возникновения самых легких адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг 10^-4 с., в ней исчезли все мезоны. На этом и кончается адронная эра, потому что пионы являются не только самыми легкими мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда после этого сильное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды¹⁷.