Современные представления теории Большого взрыва и теории горячей Вселенной

СОДЕРЖАНИЕ 

Аннотация...……………………………………………………………………….3

Введение …………………………………………………………………………..4

Современные представления теории Большого взрыва и теории горячей Вселенной 2

Начальное состояние  Вселенной 3

Дальнейшая  эволюция Вселенной 4

История открытия Большого взрыва 4

Критика теории Большого взрыва 7

Расширение  Вселенной 8

Заключение..……………………………………………………………………….3

Список используемой литературы 12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация

 

Эта работа посвящена проблеме изучения происхождения нашей Вселенной. В данной работе рассматриваются  история теории "Большого Взрыва", а также ее современное представление.  
Автор постарался собрать наиболее полную информацию по теме и рассмотреть и проанализировать все наиболее значимые аспекты современной концепции «Большого взрыва»  
В работе использованы труды российских и иностранных учёных, а так же новейшие материалы по естествознанию, астрономии и физики, полученные по сети Internet.

Введение

С тех пор  как человек осознал себя мыслящим существом, его взор был обращен  к звездам, и он пытался понять устройство окружающего мира. Как  возникла Вселенная? Как она устроена? Почему она именно такая, а не другая? Что было в начале и будет в  конце? Что в самых глубинах? Эти  вопросы человечество задает себе на протяжении многих веков.

На различных  этапах своего развития взгляды человека о мироздании изменялись. Самые ранние гипотезы мироздания принадлежат мыслителям Древней Индии, они дошли до нас  в виде мифов и легенд. Первые модели Вселенной, основанные не на мифах, а на теоретических предпосылках, были созданы в Древней Греции. Для греков Вселенная отождествлялась  с Землей в виде диска, плавающего в океане. Над Землей был сферический  хрустальный небосвод со звездами. Древнегреческий философ Платон считал звезды божественными сущностями с телом и душой. Ученик Платона - Аристотель развил собственное учение о мироустройстве. Согласно его учению Вселенная являлась сферой, в центре которой неподвижно находилась Земля, сферу приводил в движение Перводвигатель Вселенной, под которой Аристотель понимал Бога в виде разума мирового масштаба. Согласно учению Аристотеля, Вселенная вечна, она никогда  не возникала, и никогда не уничтожится. Геоцентрическая теория миропостроения Аристотеля главенствовала в умах образованных людей много веков.

Революционным шагом в вопросах мироздания было учение Николая Коперника (1473-1543), который  развил гелиоцентрическую систему. В центр своей системы Вселенной  Коперник поместил солнце. Ошибкой  Коперника было убеждение в конечности Вселенной.

Одним из активных сторонников учения Коперника был  итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548-1600), который открыл для  себя и всего мира грандиозные перспективы гелиоцентризма. Бруно создал собственную теорию - теорию бесконечной Вселенной, астроном утверждал не только безграничность Вселенной, но и разноудаленность звезд от нашей планеты, а также общность состава всех небесных тел и Земли. По приговору инквизиции Джордано Бруно был сожжен на костре за страстную пропаганду гелиоцентрической системы мира и за учение о множественности миров и бесконечности Вселенной.

Учение Коперника  продолжил выдающийся итальянский  ученый Галилео Галилей (1564-1642). Галилей  считал, что мир бесконечен и вечен, что все в природе подчинено  строгой механистической причинности. В астрономии Галилей оставил  свой след в основном тем, что ввел новые способы наблюдения за небесными  светилами. На основе открытий, сделанных  с помощью этих наблюдений, Галилей  распространил и обосновал учение Коперника о Вселенной.

Истинным  прорывом в науке стало открытие немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571-1630) трех законов, определяющих движение планет и других тел в космосе. На основе материала, почерпнутого из наблюдений датского ученого Тихо Браге (1546-1601гг.), Кеплер определил, что планеты  движутся вокруг солнца по эллиптическим  орбитам, что скорости при движении планеты по орбите изменяются и что  с удалением от Солнца уменьшается  и скорость движения планет.

Открытия  Галилея, работы Коперника и Кеплера  повлияли на видение мира многих ученых и дали толчок формированию новой  физической картины мира.

Но потребовались  еще открытия Ньютона, Канта, Эйнштейна  чтобы прийти к новому миропониманию, основанному на научной гипотезе о свойствах довселенной материи.

Первой научной  гипотезой мироздания следует считать  гипотезу Исаака Ньютона (1643-1727), согласно которой в безграничном пространстве находятся в движении материальные частицы - маленькие, твердые и неразрушимые, из которых состоит вся материя. Форма и масса частиц неизменны. То есть материя вечна и изначально пассивна. Звезды и планеты Солнечной системы являются результатом единовременного творения Вселенной. Идея ее развития не могла уложиться в его представлении.

Немецкий  ученый и философ Иммануил Кант (1724-1804гг.) пошел в своих научных изысканиях намного дальше. Ему удалось развить  в рамках ньютоновской гравитационной картины мира первую концепцию развивающейся  Вселенной. В результате кропотливой  работы им была создана новая теория - теория иерархической бесконечной  Вселенной, развивающейся естественным путем, под воздействием одних лишь только природных причин.

И уже в  ХХ веке истинным переворотом в науке  стала теория относительности Альберта Эйнштейна (1879-1955гг.), пришедшая на смену  Ньютоновской теории тяготения, начался  расцвет теоретической космологии. Наступил период, когда было предложено множество новых моделей Вселенной. И лишь немногие выдержали проверку астрономическими наблюдениями. Величайшим достижением современной космологии явилась теория "Большого Взрыва" - модель расширяющейся Вселенной.

 

 

 

Современные представления  теории Большого взрыва и теории горячей  Вселенной

По современным  представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,73 ± 0,12 млрд лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий, наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с температурой примерно 1032 K (Планковская температура) и плотностью около 1093 г/см³ (Планковская плотность). Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.

Приблизительно  через 10−35 секунд после наступления Планковской эпохи (Планковское время — 10−43 секунд после Большого взрыва, в это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий) фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение.

Дальнейшее  падение температуры привело  к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии).

После эры  рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь  в пространстве, дошло до нас в  виде реликтового излучения.

Начальное состояние Вселенной

Экстраполяция наблюдаемого расширения Вселенной назад во времени приводит при использовании общей теории относительности и некоторых других альтернативных теорий гравитации к бесконечной плотности и температуре в конечный момент времени в прошлом. Более того, теория не даёт никакой возможности говорить о чём-либо, что предшествовало этому моменту (потому, что наша математическая модель пространства-времени в момент Большого Взрыва теряет применимость: при этом теория вовсе не отрицает возможность существования чего-либо до Большого взрыва), а размеры Вселенной тогда равнялись нулю — она была сжата в точку. Это состояние называется космологической сингулярностью и сигнализирует о недостаточности описания Вселенной классической общей теорией относительности. Насколько близко к сингулярности можно экстраполировать известную физику, является предметом научных дебатов, но практически общепринято, что допланковскую эпоху рассматривать известными методами нельзя. Многие учёные полушутя-полусерьёзно называют космологическую сингулярность «рождением» (или «сотворением») Вселенной. Невозможность избежать сингулярности в космологических моделях общей теории относительности была доказана в числе прочих теорем о сингулярностях Р. Пенроузом и С. Хокингом в конце 1960-х годов. Её существование является одним из стимулов построения альтернативных и квантовых теорий гравитации, которые стараются разрешить эту проблему.

Дальнейшая эволюция Вселенной

Согласно  теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра — средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого (известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнётся обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины средней плотности ещё недостаточно надёжны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.

Есть  ряд вопросов, на которые теория Большого взрыва ответить пока не может, однако основные её положения обоснованы надёжными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа — порядка сотой доли секунды от «начала мира». Для теории важно, что эта неопределённость на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.

История открытия Большого взрыва

1916 — вышла в свет работа физика Альберта Эйнштейна «Основы общей теории относительности», которой он завершил создание релятивистской теории гравитации.

1917 — Эйнштейн на основе своих уравнений поля развил представление о пространстве с постоянной во времени и пространстве кривизной (модель Вселенной Эйнштейна, знаменующая зарождение космологии), ввёл космологическую постоянную Λ. (Впоследствии Эйнштейн назвал введение космологической постоянной одной из самых больших своих ошибок; уже в наше время выяснилось, что Λ-член играет важнейшую роль в эволюции Вселенной). В. де Ситтер выдвинул космологическую модель Вселенной (модель де Ситтера) в работе «Об эйнштейновской теории гравитации и её астрономических следствиях».

1922 — советский математик и геофизик Ал. Ал. Фридман нашёл нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной (нестационарная космологическая модель, известная как решение Фридмана). Если экстраполировать эту ситуацию в прошлое, то придётся заключить, что в самом начале вся материя Вселенной была сосредоточена в компактной области, из которой и начала свой разлёт. Поскольку во Вселенной очень часто происходят процессы взрывного характера, то у Фридмана возникло предположение, что и в самом начале её развития также лежит взрывной процесс — Большой взрыв.

1923 — немецкий математик Г. Вейль отметил, что если в модель де Ситтера, которая соответствовала пустой Вселенной, поместить вещество, она должна расширяться. О нестатичности Вселенной де Ситтера говорилось и в книге А. Эддингтона, опубликованной в том же году.

1924 — К. Вирц обнаружил слабую корреляцию между угловыми диаметрами и скоростями удаления галактик и предположил, что она может быть связана с космологической моделью де Ситтера, согласно которой скорость удаления отдалённых объектов должна возрастать с их расстоянием.

1925 — К. Э. Лундмарк и затем Штремберг, повторившие работу Вирца, не получили убедительных результатов, а Штремберг даже заявил, что «не существует зависимости лучевых скоростей от расстояния от Солнца». Однако было лишь ясно, что ни диаметр, ни блеск галактик не могут считаться надёжными критериями их расстояния. О расширении непустой Вселенной говорилось и в первой космологической работе бельгийского теоретика Жоржа Леметра, опубликованной в этом же году.

1927 — опубликована статья Леметра «Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей». Коэффициент пропорциональности между скоростью и расстоянием, полученный Леметром, был близок к найденному Э. Хабблом в 1929. Леметр был первым, кто чётко заявил, что объекты, населяющие расширяющуюся Вселенную, распределение и скорости движения которых и должны быть предметом космологии — это не звёзды, а гигантские звёздные системы, галактики. Леметр опирался на результаты Хаббла, с которыми он познакомился, будучи в США в 1926 г. на его докладе.