Теория большого взрыва и эволюция вселенной

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

Федеральное государственное образовательное автономное учреждение

 высшего профессионального  образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

 

 
ОЦЕНКА РЕФЕРАТА:

РУКОВОДИТЕЛЬ:

должность, уч. степень, звание		подпись, дата		инициалы, фамилия

 

РЕФЕРАТ

На тему: Теория большого взрыва и эволюция вселенной

по дисциплине: Концепции современного естествознания

РЕФЕРАТ ВЫПОЛНИЛ.

СТУДЕНТ ГР.			06.04.2015		Гиниятуллин Р.Р.
			подпись, дата		инициалы, фамилия

Норильск 
2015

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

1. Введение
2. Теории, гипотезы и модели
3. «Большой взрыв» - его причины и хронология
4. Стадии и следствия эволюции
5. Научные обоснования расширения и эволюции Вселенной
6. Заключение
7. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Введение

 

Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых подчиняется общим закономерностям. При этом он имеет свою долгую историю, в общих чертах известную современной науке. Приведем хронологию наиболее важных событий.

20 млрд. лет назад - Большой взрыв.

3 минуты спустя - образование вещественной основы Вселенной.

Через несколько сотен тысяч лет – появление атомов.

19-17 млрд. лет – образование разномасштабных структур (галактик).

15 млрд. лет назад – появление  звезд первого поколения, образование

атомов тяжелых элементов.

5 млрд. лет назад – рождение  Солнца.

4,6 млрд. лет назад – образование  Земли.

3,8 млрд. лет назад – зарождение  жизни.

450 млн. лет назад – появление растений.

150 млн. лет назад – появление  млекопитающих.

2 млн. лет назад – начало антропогенеза*.

Современной науке известны не только «даты», но во многом и сами механизмы эволюции Вселенной от Большого взрыва до наших дней. Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд; звезд и звездных систем — галактик; системы галактик — Метагалактики.

Представление об открытых системах, введенное неклассической термодинамикой, явилось основой для утверждения в современном естествознании общей концепции эволюции природы. Хотя отдельные эволюционные теории появились в конкретных науках еще в прошлом веке (теория возникновения Солнечной системы Канта-Лапласа, теория геологической эволюции Ч.Лайеля и эволюционная теория Ч. Дарвина), тем не менее, никакой глобальной эволюционной теории развития Вселенной до ХХ века не существовало. Благодаря широкому распространению системных идей, а в недавнее время и представлений о самоорганизации открытых систем, сейчас все настойчивее выдвигаются различные гипотезы и модели возникновения  и эволюции Вселенной. Они усиленно обсуждаются в рамках современной космологии как науки о Вселенной, то есть едином целом и всей охваченной астрономическими наблюдениями её области, называемой Метагалактикой.

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Теории, гипотезы и модели.

 

Нет общепринятой теории происхождения галактик. Уж очень длинен и сложен путь от первичной маленькой неоднородности до галактики с сотнями миллиардов звезд, их сложными движениями и сложными процессами эволюции галактики в целом. Что собой представляла Вселенная до взрыва - никаких надежных данных пока не существует. Высказываются лишь некоторые предположения и гипотезы. Очевидно, что о первоначальной эволюции Вселенной мы можем судить только на основании тех результатов, которые известны нам сегодня. Сегодня эволюция Вселенной является научным фактом, всесторонне обоснованным многочисленными астрофизическими наблюдениями, имеющими под собой прочный теоретический базис всей физики. Строение и эволюция Вселенной изучается космологией. В этой науке перекрещиваются методы исследования и идеи, существенно различные по своему характеру. Предметом космологии является весь окружающий нас мегамир, вся «Большая Вселенная». Модели Вселенной, как и любые другие, строятся на основе тех теоретических представлений, которые существуют в данное время в космологии. Особенности развития космологии нашли отражение в различных моделях Вселенной. Общим для них является представление о нестационарном, изотропном и однородном характере её моделей.

Не стационарность  означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься. «Разбегание» галактик, по-видимому, свидетельствует о ее расширении, хотя существуют модели, в которых наблюдаемое в настоящее время расширение рассматривается как одна из стадий так называемой пульсирующей Вселенной, когда вслед за расширением происходит её сжатие.

Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек и направлений, то есть ее свойства не зависят от направления.

Однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной.

Перечисленные утверждения часто называют космологическими постулатами*. К ним также дополняют правдоподобное требование об отсутствии во Вселенной сил, препятствующих силам тяготения. При таких предположениях модели оказываются наиболее простыми. В их основе лежат

уравнения общей теории относительности Эйнштейна, а также представления о кривизне пространства-времени и связи этой кривизны с плотностью массы вещества. С точки зрения общей теории относительности, кривизна пространства-времени, как мы знаем, определяется распределением тяготеющих масс. Но независимо от этого модели можно рассматривать и чисто геометрически.

 В зависимости от кривизны  пространства различают:

- открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю. Расстояния между скоплениями галактик со временем непрерывно увеличиваются, что соответствует бесконечной Вселенной;

- замкнутую модель с положительной кривизной. В замкнутых моделях Вселенная оказывается конечной, но столь же неограниченной, так как, двигаясь по ней, нельзя достичь какой-либо границы.

Независимо от того, рассматриваются ли открытые или замкнутые модели Вселенной, все ученые сходятся в том, что для объяснения расширения Вселенной необходимо следующее допущение: что первоначально Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить на Земле. Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в сингулярности*, в которой была сосредоточена материя. Это допущение вполне согласуется  с установлением расширения Вселенной, которое могло

начаться с некоторого положения, где она находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения. Такая модель «горячей» Вселенной впоследствии была названа стандартной.

В современной науке выдвинут так называемый антропный принцип в космологии. Суть его в том, что жизнь во Вселенной возможна только при тех значениях универсальных постоянных, физических констант, которые в действительности имеют место. Если значение физических констант имело бы хоть ничтожное отклонение от существующих, то возникновение жизни было бы в принципе невозможно. Это значит, что уже в начальных физических условиях существования Вселенной заложена возможность возникновения жизни.

Разные схемы строения Вселенной господствовали в науке, сменяя друг друга на протяжении веков. Но почти все эти схемы объединяло одно - это были именно схемы строения - не развития, эволюции, становления, а вечно неизменный механизм часов Вселенной. Идея стационарности всей Вселенной казалась сама собой разумеющейся.

По стандартной модели первоначально Вселенная находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии. Она находилась в условиях, которые трудно вообразить на земле. Эта модель предполагает, что начальная температура внутри сингулярности превышала 1013 градусов по абсолютной шкале Кельвина*, в которой начало шкалы соответствует -273 градусам шкалы Цельсия. Плотность материи равнялась бы приблизительно 1093г/см3 – огромная величина, которую трудно даже вообразить. В этом состоянии Вселенная представляла собой, по сути, не мегаобъект, а микрообъект ничтожно малых масштабов. Плотность вещества во Вселенной была гораздо больше сегодняшней. Отдельные галактики, отдельные звезды и т.д. не могли существовать как изолированные тела. Вся материя находилась в состоянии непрерывно распределенного однородного вещества. Примерно20млрд. лет отделяет нашу эпоху от начала процесса расширения Вселенной, когда вся наблюдаемая нами Вселенная была сжата в комочек, в миллиарды раз меньший булавочной головки. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью - точечный объем с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. Более того, нет уверенности, что наука когда-либо познает и объяснит такие состояния.

Так что если сингулярность и является начальным простейшим состоянием нашей расширяющейся Вселенной, то наука не располагает о нем информацией. Причины возникновения такого начального состояния (или сингулярности - эту гипотезу и сегодня поддерживают многие ученые), а также характер пребывания материи в этом состоянии считаются неясными и выходящими за рамки компетенции любой современной физической теории. Такое состояние можно назвать хаосом, из которого в последующем развитии системы шаг за шагом формировался порядок. Хаос оказался неустойчивым, это послужило исходным толчком для последующего развития Вселенной.

 

3. «Большой взрыв» - его причины и хронология.

 

Относительно более надёжными являются представления об эволюции Вселенной после взрыва и начавшегося её расширения.

По современным представлениям космическая эволюция дает начало всем процессам и формам развития материальных систем во Вселенной. Хотя в настоящее время существует множество различных гипотез ее происхождения и эволюции, но в качестве стандартной модели принимается гипотеза «большого взрыва». Она опирается на следующие эмпирические и теоретические данные:

1. Эмпирические факты внегалактической  астрономии о непрерывном удалении  наиболее далеких от нас галактик.

2.Открытие в 1965г. микроволнового излучения, названного впоследствии реликтовым, поскольку оно несет информацию о ранней истории Вселенной.

3.Постулат о разрушении симметрий между микрочастицами, с одной стороны, и силами, действующими между ними, с другой.

По стандартной модели, как отмечалось выше, первоначально Вселенная находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии. Роль базовой формы материи, очевидно, играет вакуум. На самой ранней фазе эволюции Вселенной именно ему отводится ведущая роль. Экстремальные условия “начала”, когда даже пространство-время было деформировано, предполагают, что и вакуум находился в особом состоянии, которое называют “ложным” вакуумом. Оно характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества.

В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения, отрицательное давление, которое равносильно гравитационному отталкиванию такой величины, которое и вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной - Большой взрыв. Это и было первотолчком, “началом”.

С началом стремительного расширения Вселенной возникает время и пространство. По разным оценкам период “раздувания” занимает невообразимо малый промежуток времени - до 10-33с после “начала”. Он называется инфляционным периодом. За это время Вселенная успевает раздуться до гигантского “пузыря”, радиус которого на несколько порядков превышает радиус современной нам Вселенной, но там практически отсутствуют частицы вещества. Это еще не то расширение, о котором мы говорили, а предпосылка к нему. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно горячей. Этот всплеск тепла обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в “ложном” вакууме. Когда это состояние вакуума распалось, его энергия высвободилась в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до 1027К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории горячего Большого взрыва.

Доступная астрономическим наблюдениям современная Вселенная состоит на 99% из водорода и гелия, но в первоначальном плазм подобном сгустке не было ни водорода, ни гелия. Теория Большого взрыва утверждает, что от появления протовещества до образования ядер водорода и гелия прошло немногим более трех секунд. На этом временном промежутке стремительно преобразовывались вакуум и вещество, а этапы преобразования определялись процессами расширения и остывания сгустка.