Модель Большого Взрыва и хронология Вселенной

Ó Ахмедзянов С.М. Концепции современного естествознания. ЭиУ-285,  ЮУрГУ, 1999.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Модель Большого Взрыва и хронология Вселенной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

Аннотация 2

Содержание: 3

Введение 4

А бал ли Большой Взрыв? 6

Реликтовое излучение 7

Сценарий далекого прошлого. 8

«Горячая Вселенная» 8

Большой Взрыв: самое начало 8

Большой Взрыв: продолжение 9

Эволюция вещества 11

а)   Адронная эра. 12

б)  Лептонная эра. 13

в)  Фотонная эра или  эра излучения. 14

г) Звездная эра. 15

«Итоги первых шагов  Маленькой Вселенной» 17

Заключение 18

Список литературы 21

 

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 был 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.

Что же такое –  расширение Вселенной на более низком, конкретном уровне ?

Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда то же самое количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий объём.

Итак, кратко изложим  все те умозаключения о возможных  параметрах Вселенной на стадии Большого Взрыва, к которым мы пришли.

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 температура⁸, 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-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но  возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы.

   Подробный анализ  показывает, что температура вещества Т понижалась во времени в соответствии с простым соотношением :

                                       

                   

    Зависимость температуры Т от времени t дает нам возможность определить, что например, в момент, когда возраст Вселенной исчислялся всего одной десятитысячной секунды,  её температура представляла  один  биллион  Кельвинов.

Эволюция вещества

   Температура раскаленной  плотной материи на начальном  этапе Вселенной со временем  понижалась, что и отражается  в соотношении. Это значит, что  понижалась средняя кинетическая  энергия частиц kT . Согласно соотношению hn=kT понижалась и энергия фотонов. Это возможно лишь в том случае, если уменьшится их частота n. Понижение энергии фотонов во времени имело для возникновения частиц и античастиц путем материализации важные последствия. Для того чтобы фотон превратился (материализовался) в частицу и античастицу с массой m_o и энергией покоя m_oc², ему необходимо обладать энергией 2 m_oc² или большей. Эта  зависимость выражается  так :