Автор работы: Пользователь скрыл имя, 07 Октября 2013 в 15:49, реферат
Цель данной работы состоит в изучении происхождения Вселенной.
В соответствие с целью исследования, были поставлены следующие основные задачи:
1) выявить основные космологические проблемы и их влияние на развитие науки;
2) рассмотреть процесс эволюции Вселенной и изучить «Теорию Большого взрыва»;
3) изучить основные этапы физической истории Вселенной.
Четвертый кадр. Температура Вселенной теперь понизилась до 3 млрд градусов, которая ниже пороговой для электронов и позитронов. Поэтому они начинают быстро исчезать, превращаясь в излучение. Уменьшение температуры создает также условия для образования небольшого числа стабильных легких ядер, например, гелия. Нейтроны продолжают превращаться в протоны, хотя и значительно медленнее.
Пятый кадр. Теперь температура Вселенной упала до 1 млрд градусов, что, однако, в 70 раз выше, чем в центре Солнца. При этих условиях уже могут удерживаться ядра трития и гелия-3, а позднее и ядра дейтерия. Однако ядра тяжелее гелия в заметном количестве не образуются. Со времени первого кадра проходит чуть больше 3 минут.
Шестой кадр. Теперь температура Вселенной упала до 300 млн градусов, а со времени первого кадра прошло свыше 34 минут. В этот период все электроны и позитроны исчезают, за исключением небольшого количества электронов, необходимых для компенсации зарядов протонов. Но температура еще слишком высока, чтобы могли возникнуть стабильные ядра.
Пройдет еще свыше 700 000 лет, когда электроны и ядра начнут образовывать устойчивые атомы легких элементов, преимущественно водорода и гелия. В этот период происходит разъединение вещества и излучения. Одним из первых его следствий стало образование звезд, состоящих на три четверти из водорода и одну четверть из гелия. Другим следствием было то, что Вселенная стала прозрачной для излучения. Именно тогда возникает ставшее теперь широко известным космическое микроволновое излучение с температурой 3 градуса по Кельвину, которое часто называют реликтовым, ибо оно напоминает об истории возникновения Вселенной.
Самым главным результатом на стадии микроэволюции Вселенной бьио образование крайне незначительного перевеса над антивеществом вещества. Из него в результате дальнейшей эволюции возникло все богатство и разнообразие материальных образований и форм, начиная от атомов, молекул, кристаллов, минералов и кончая галактиками.
Разумеется, в стандартной гипотезе образования Вселенной много еще неясного и спорного. Прежде всего, остается нерешенным вопрос о структуре и состоянии материи первоначальной Вселенной. Ведь, кроме тех элементарных частиц, которые рассматриваются в стандартной модели, существуют и другие «кандидаты» на эту роль. Популярной остается также кварковая модель. Такая модель значительно проще объяснила бы состояние ранней Вселенной. Однако сами кварки в свободном состоянии пока не обнаружены, и, как указывает С. Вайнберг, отсутствие изолированных, свободных кварков есть одна из самых важных проблем, с которыми в настоящее время сталкивается теоретическая физика.
По этой причине наряду со стандартной моделью была предложена также гипотеза пульсирующей Вселенной, которая предполагает, что в ходе своей эволюции Вселенная подвергается периодическому расширению и сжатию. По мнению ее защитников, она удовлетворительно объясняет наличие гигантского количества фотонов во Вселенной во время циклов ее расширения и сжатия. Однако никаких эмпирических фактов, свидетельствующих о сжатии Вселенной, пока не обнаружено.
Четверть века назад была выдвинута гипотеза, которая рассматривает Вселенную как гигантскую флуктуацию вакуума и пытается объяснить разрушение в ней симметрий между веществом и антивеществом, а также между различными силами взаимодействия частиц и полей. В последние годы она приобрела особую популярность потому, что пытается раскрыть состояние Вселенной до взрыва. Согласно такой модели, Вселенная возникла из первоначального вакуума, который обладал огромной энергией, но находился в неустойчивом состоянии. Поскольку в этом вакууме, который называют возбужденным или ложным, господствовали космические силы отталкивания, постольку они и «раздували» занимаемое им пространство, а выделившаяся при этом энергия быстро нагревала Вселенную. В конце концов огромное повышение температуры и давления в процессе быстрого расширения возбужденного вакуума привело к взрыву сверхгорячей материи. После взрыва наступило резкое понижение температуры и давления, и в дальнейшем расширение Вселенной происходило по сценарию стандартной модели.
Стандартная гипотеза хотя и не раскрывает причин «большого взрыва» и первоначального состояния материи до этого, но отличается от многих гипотез в первую очередь тем, что, во-первых, опирается на важные эмпирические данные внегалактической астрономии; во-вторых, учитывает фундаментальную роль нарушения симметрий в процессе формирования все более сложных материальных систем; в-третьих, в ее основе лежит концепция самоорганизации синергетики об образовании и усложнении материальных систем.
3 Основные этапы физической истории Вселенной
Как бы ни решался вопрос о многообразии космологических моделей, очевидно, что Вселенная эволюционирует. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был равен 10-12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 1096 г/см3. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров.
Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-15 млрд лет.
Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур.
В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюции Вселенной делят на эры:
1) Эра адронов (тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия). Продолжительность эры 0,0001 с, температура 1012 градусов по Кельвину, плотность 1014см3. В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов, гиперонов, мезонов;
2) Эра лептонов (легких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие). Продолжительность эры 10 с, температура 1010 градусов по Кельвину, плотность 104/см3. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами;
3) Фотонная эра. Продолжительность 1 млн лет. Основная доля массы - энергии Вселенной - приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 1010 до 3000 градусов по Кельвину, плотность - от 104 г/см3 до 10-21 г/см3. Главную роль играет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества;
4) Звездная эра наступает через 1 млн лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.
Затем разворачивается
грандиозная картина
В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва обосновывается и так называемая инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается идея творения Вселенной. Эта идея имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой космологией. В данной модели описывается эволюция Вселенной начиная с момента 10-45 с после начала расширения.
В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов:
1) Начало Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10-50 см (для сравнения: размер атома определяется как 10-8 см, а размер атомного ядра 10-13 см). Основные события в ранней Вселенной разыгрывались за ничтожно малый промежуток времени от 10-45 с до 10-30 с.;
2) Стадия инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней вещества и излучения интенсивно расширялась по экспоненциальному закону. В этот период создавалось само пространство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10-34 с Вселенная раздулась от невообразимо малых квантовых размеров 10-33 см до невообразимо больших 101 000 000 см, что на много порядков превосходит размер наблюдаемой Вселенной - 1028 см. Весь этот первоначальный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения;
3) Переход от инфляционной стадии к фотонной. Состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку излучения (света), осветившего космос;
4) Этап отделения вещества от излучения: оставшееся после аннигиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от вещества излучение и составляет современный реликтовый фон, теоретически предсказанный Г.А. Гамовым и экспериментально обнаруженный в 1965 г.
В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от максимально простого однородного состояния к созданию все более сложных структур - атомов (первоначально атомов водорода), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в недрах звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, возникновению жизни и как венца творения - человека.
Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка 10-30 с, далее между этими моделями принципиальных расхождений в понимании этапов космической эволюции нет. Различия в объяснении механизмов космической эволюции связаны с расхождением мировоззренческих установок. Уже с самого начала появления идеи расширяющейся и эволюционирующей Вселенной вокруг нее началась борьба.
Первой стала проблема начала и конца времени существования Вселенной, признание которой противоречило материалистическим утверждениям о вечности времени и бесконечности пространства, несотворимости и неуничтожимости материи.
Естественно-научным обоснованием является доказанная в 1965 г. американскими физиками-теоретиками Пенроузом и С. Хокингом теорема, согласно которой в любой модели Вселенной с расширением обязательно должна быть сингулярность - обрыв линий времени в прошлом, что можно понимать как начало времени. Это же верно и для ситуации, когда расширение сменится на сжатие - тогда возникнет обрыв линий времени в будущем - конец времени. Причем точка начала сжатия интерпретируется физиком Ф. Типлером как конец времени - Великий Сток, куда стекаются не только галактики, но и сами «события» всего прошлого Вселенной.
Вторая проблема связана с творением мира из ничего. Материалисты отвергали возможность творения, поскольку вакуум - это не ничего, а вид материи. Да, это так, вакуум представляет собой особый вид материи. Но дело в том, что у А.А. Фридмана математически момент начала расширения пространства выводится не со сверхмалым, а с нулевым объемом. В своей популярной книге «Мир как пространство и время», изданной в 1923 г., он говорит о возможности «сотворения мира из ничего».
В теории физического вакуума Г.И. Шилова высшим уровнем реальности выступает геометрическое пространство - Абсолютное Ничто. Это положение его теории перекликается с утверждениями английского математика В. Клиффорда о том, что в мире нет ничего, кроме пространства с его кручением и кривизной, а материя представляет собой сгустки пространства, своеобразные холмы кривизны на фоне плоского пространства. Идеи В. Клиффорда использовал и А. Эйнштейн, который в общей теории относительности впервые показал общую глубокую взаимосвязь абстрактного геометрического понятия кривизны пространства с физическими проблемами гравитации.
Из абсолютного Ничто,
пустого геометрического
Первичные поля кручения (информационные поля) порождают физический вакуум, который является носителем всех остальных физических полей - электромагнитных, гравитационных,торсионных. В условиях информационно-энергетического возбуждения вакуум порождает вещественные микрочастицы.
Попытку разрешить одну из основных проблем мироздания - возникновения всего из ничего - предприняли в 80-х гг. XX в. американский физик А. Гут и советский физик А. Линде. Энергию Вселенной, которая сохраняется, разделили на гравитационную и негравитационную части, имеющие разные знаки. И тогда полная энергия Вселенной будет равна нулю. Физики считают, что если предсказываемое несохранение барионного числа подтвердится, то тогда ни один из законов сохранения не будет препятствовать рождению Вселенной из ничего. Пока же эту модель можно рассчитывать лишь теоретически, а вопрос остается открытым.
Самая большая трудность для ученых возникает при объяснении причин космической эволюции. Если отбросить частности, то можно выделить две основные концепции, объясняющие эволюцию Вселенной: концепцию самоорганизации и концепцию креационизма.
Для концепции самоорганизации материальная Вселенная является единственной реальностью, и никакой другой реальности помимо нее не существует. Эволюция Вселенной описывается в терминах самоорганизации: идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении становления все более сложных структур. Динамичный хаос порождает порядок. Вопрос о цели космической эволюции в рамках концепции самоорганизации ставиться не может.