Теория большого взрыва

Министерство  сельского хозяйства РФ

ФГОУ  ВПО Орловский Государственный  Аграрный Университет

Кафедра «Растениеводства»

 

 

 

 

Реферат на тему : «теория Большого взрыва»

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Студент 1 курса

Факультет: Экономический

Специальность: Финансы и кредит

БЭф-126

Ветров  П.С.

Проверила: Кирсанова Е.И.

 

 

Орел 2012

СОДЕРЖАНИЕ

                Введение

1. Теория Большого Взрыва                                                                         4-5с.                                                      
2. Экспериментальные доказательства теории Большого Взрыва            6-7с.
3. Стандартный сценарий Большого Взрыва                                               8-12с.
4. Современные теории о дальнейшей эволюции вселенной                    13-16с.
5. Проблемы теории Большого Взрыва                                                       17-21с.

Заключение

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Человек с давних пор интересовался  устройством Вселенной. Звезды притягивали  к себе наших предков, заставляли смотреть на них с удивлением и  трепетом. Физика добилась больших  успехов в изучении макроскопических и микроскопических свойств природы, однако понимание и объяснение свойств Вселенной в целом происходило не так уверенно. Извечные вопросы, которые всегда волновали человечество, во многом не разрешены и до сих пор. Как возникли звезды, планеты, вся Вселенная? Как развивалась эта Вселенная в прошлом, куда движется в настоящем и что ждет её в будущем? На некоторые вопросы мы можем ответить уже сейчас, другие ждут своего ответа. Но каждый шаг вперёд ставит также и новые вопросы, раздвигая области неведомого.

Проблемы зарождения и  существования Вселенной занимали самого древнего человека. Небо, которое  было доступно его обозрению, было для  него очень интересно. Недаром астрономия считается одной из самых древних  наук о природе. Не потерял интереса к изучению проблем космоса и  современный человек, но он смотрит  глубже, его уже интересует не просто выяснение вопроса, что есть Вселенная?

В предлагаемом Вашему вниманию реферату, я постараюсь осветить проблемы происхождения Вселенной, в частности теорию Большого взрыва, первые этапы жизни Вселенной, перспективы ее развития.

 

 

 

 

 

 

 Теория Большого Взрыва

Итак, одна из современных  теорий – теория Большого Взрыва (Big Bang) смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией.

В основе этой теории лежит  предположение, что физическая Вселенная  образовалась в результате гигантского  взрыва примерно 15 – 20 млн. лет назад, когда всё вещество и энергия  современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке. Модель Большого Взрыва была предложена в 1948 году Г.А. Гамовым. К настоящему времени она смогла объяснить почти все факты, связанные с проблемой зарождения Вселенной.

Основные черты этой модели сохранились  до сих пор, хотя она была позже  дополнена теорией инфляции, или  теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными  А. Гутом и П. Стейнхардтом, и дополненной советским физиком А.Д. Линде.

Задача формирования более конкретной, физически разработанной эволюционной космолого-космогонической модели расширяющейся Вселенной была решена в основном американским физиком Гамовым, русским по происхождению. Джордж (Георгий Антонович) Гамов (1904— 1968) впервые предложил в 1946 году теорию, получившую затем наименование «теории Большого Взрыва». В ней Гамов выдвинул предположение, что Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, произошедшего примерно 15 млрд лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был равен нулю, а ее плотность - бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью.

Результаты наблюдений подтверждают предположение о том, что Вселенная  возникла в определённый момент времени. Однако сам момент начала творения, сингулярность, не подчиняется ни одному из известных законов физики.

Например, не может быть одновременно бесконечной плотности и температуры, т.к. при бесконечной плотности  мера хаоса стремится к нулю, что  не может совмещаться с бесконечной  температурой. Проблема существования  космологической сингулярности является одной из наиболее серьёзных проблем физической космологии. Дело в том, что никакие наши сведения о том, что произошло после космологической сингулярности, не могут дать нам никакой информации о том, что происходило до этого.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Экспериментальные доказательства теории Большого Взрыва.

Академик Я.Б. Зельдович писал: «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 теории не в состоянии препятствовать успеху новых теорий».

На чем основана уверенность  академика Я.Б. Зельдовича в справедливости теории «горячей Вселенной»? Имеется  ряд данных, которые подтверждают теорию Большого взрыва.

Во-первых, это 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 сопоставимы с данными о возрасте Метагалактики.

Второе подтверждение  состоит в том, что данные радиоастрономии  свидетельствуют, что в прошлом  далекие внегалактические источники  радиоизлучения излучали интенсивней, чем сегодня, следовательно, эти  источники эволюционируют. Когда  сегодня мы наблюдаем мощный источник радиоизлучения, необходимо помнить  о том, что перед нами его далекое  прошлое, ведь сегодня радиотелескопы принимают волны, которые были излучены миллиарды лет назад. Факт, что  радиогалактики и квазары эволюционируют, причем время их эволюции совпадает  со временем существования Метагалактики, говорит в пользу теории Большого взрыва.

Третьим важным подтверждением рассматриваемой теории, является наблюдаемая  распространенность химических элементов  с тем соотношением гелия и водорода (1/4 и 3/4 соответственно), которое возникло во время первичного термоядерного синтеза.

Главным же подтверждением теории Большого взрыва («горячей Вселенной») считается открытие реликтового  излучения. Для космологии это явление  имеет фундаментальное значение, сравнимое по значению с открытием  расширения Метагалактики. Название «реликтовое излучение» ввёл отечественный астрофизик И.С. Шкловский(1916 – 1985). Первоначально оно обладало огромной энергией, но расширение и охлаждение сгустка привели к тому, что излучение также «остыло» и энергия квантов уменьшилась, т.е. возросла длина их волны. Это фоновое излучение существует и сейчас во Вселенной, но теперь уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения. Температуру реликтового излучения рассчитал Г.А. Гамов. Она составляет около 3К, согласно современным данным 2,74 К. В последние годы экспериментально обнаружена анизотропия (неравномерность) реликтового излучения, которую связывают с неоднородностями распределения материи и наличием слабых возмущений.

Открытие реликтового  излучения произошло в известном  смысле случайно. Его сделали американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон, которые ничего не слышали о предсказании теории Г.А. Гамова. А. Пензиас Р. Уилсон использовали для изучения радиационных характеристик космического пространства рожковую антенну, первоначально сконструированную для системы связи через американский спутник «Эхо». Эта специальная антенна принимала радиосигналы только из небольшого участка неба, на который она направлена. Они обнаружили, что независимо от направления антенны в принимаемом сигнале присутствовала существенная по величине энергия, соответствующая микроволновому участку спектра и температуре около 3,5К. Всё выглядело так, как если бы вся Вселенная была пронизана этим микроволновым фоном. Тем не менее значение их наблюдений стало общепризнанным и они в 1968году получили Нобелевскую премию. Таким образом, были получены некоторые экспериментальные доказательства справедливости теории Большого Взрыва.

Стандартный сценарий Большого Взрыва

Нас интересуют события, которые  произошли, по разным оценкам, 13 – 20 млрд. лет назад (13 млрд. лет в соответствии с теорией «закрытого мира», а 20 млрд. лет по теории «Открытого мира»). Все  это время наша Вселенная, согласно теории Большого взрыва, постоянно  расширялась. В пролом же плотность  вещества должна было быть огромной. Согласно теории А. Фридмана следует, что плотность  могла быть бесконечно большой, хотя некоторые ученые называют некий  возможный предел значения плотности  вещества, примерно равный 10 ⁹⁷ кг/м ³.

Другим важным параметром является температура. Вопрос о том, холодной» или «горячей» была материя в ту эпоху, долгое время  оставался спорным. Решающие доказательства, что Вселенная была горячей, удалось  получить в середине 60-х годов. В  настоящее время большинство  космологов считает, что материя  в начале расширения Вселенной была не только сверхплотной, но и очень  горячей, а теория рассматривающая физические процессы в начале расширения Вселенной получила название «теории горячей Вселенной».

Согласно этой теории, ранняя Вселенная представляла собой гигантский ускоритель «элементарных» частиц. Началом  работы Вселенского ускорителя был  Большой взрыв. Этот термин часто  применяют современные космологи. Наблюдаемый разлет галактик и их скоплений – следствие Большого взрыва. Академик Я.Б. Зельдович назвал этот взрыв астрономическим, тем  самым, подчеркнув его отличие от химического взрыва.

У обоих взрывов есть общие  черты, например, в обоих случаях  вещество после взрыва охлаждается  при расширении, падает и его плотность. Но есть и существенный отличия. Главное  состоит в том, что химический взрыв обусловлен разностью давлений во взрывающемся веществе и давлением  в окружающей среде (воздухе). Эта  разность давлений создает силу, сообщающую скорость частицам заряда взрывчатого  вещества. В астрономическом взрыве подобной разности давлений нет. Астрономический взрыв не начался из какого-то определенного центра, распространяясь на все большие области, а произошел сразу во всем существовавшем тогда пространстве. Представить себе это очень трудно, тем более что «все пространство» в начале взрыва могло быть как конечным (теория замкнутого мира), так и бесконечным (теория открытого мира).

В теории космологии приято эволюцию вселенной разделять на 4 эры:

а) адронная эра (начальная фаза, характеризующаяся высокой температурой и плотностью вещества, состоящего из элементарных частиц – «адронов»);

б) лептонная эра (следующая  фаза, характеризующаяся снижением  энергии частиц и температуры  вещества, состоящего из элементарных частиц «лептонов». Адроны распадаются  в мюоны и мюонное нейтрино – образуется «нейтринное море»;

в) фотонная эра или эра  излучения (характеризуется снижением  температуры до 10 К, аннигиляцией электронов и позитронов, давление излучения полностью отделяет вещество от антивещества);

г) звездная эра (продолжительная  эра вещества, эпоха преобладания частиц, продолжается со времени завершения Большого взрыва (примерно 300 000 лет  назад) до наших дней.

В нулевой момент времени  Вселенная возникла из сингулярности, то есть из точки с нулевым объемом  и бесконечно высокими плотностью и температурой. Пытаясь объяснить происхождение Вселенной, сторонники Большого взрыва сталкиваются с серьезной проблемой, поскольку исходное состояние Вселенной в разработанной ими модели не поддается математическому описанию. В их описаниях Вселенная в начале представляла собой точку пространства бесконечно малого объема, имевшую бесконечно большую плотность и температуру. Такое состояние вещества в принципе не может быть описано математически. На языке науки это явление получило название «сингулярности».

В течение первой миллионной доли секунды, когда температура  значительно превышала 10 ¹² К (по некоторым оценкам до 10 ¹⁴ К), а плотность была немыслимо велика, происходили неимоверно быстро сменяющие себя экзотические взаимодействия, недоступные пониманию в рамках современной физики. Мы можем лишь размышлять, каковы были эти первые мгновения, например, возможно, что четыре фундаментальные силы природы были слиты воедино. Есть основания полагать, что к концу первой миллионной доли секунды уже существовал первичный «бульон» богатых энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества. Иными словами материя Вселенной представляла собой электронно-позитронные пары (е^– и е⁺); мюонами и антимюонами (м ^– и м ⁺); нейтрино и антинейтрино, как электронными (v _e, v _e), так и мюонными (v _m, v _m) и тау-нейтрино (v _t, v _t); нуклонами (протонами и нейтронами) и электромагнитным излучением. Эта самовзаимодействующая масса находилась в состоянии так называемого теплового равновесия.

В те первые мгновения все  имевшиеся частицы должны были непрерывно возникать (парами – частица и  античастица) и аннигилировать. Это  взаимное превращение частиц в излучение  и обратно продолжалось до тез  пор, пока плотность энергии фотонов  превышала значение пороговой энергии  образования частиц. Когда возраст  Вселенной достиг одной сотой  доли секунды, ее температура упала  примерно до 10 ¹¹ К, став ниже порогового значения, при котором могут рождаться протоны и нейтроны, некоторые из этих частиц избежали аннигиляции – иначе в современной нам Вселенной не было бы вещества. Через 1 секунду после Большого взрыва температура понизилась до 10 ¹⁰ К, и нейтрино перестали взаимодействовать с веществом. Вселенная стала практически «прозрачной» для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова, но примерно через 10 секунд уровень плотности энергии излучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение катастрофического процесса взаимной аннигиляции. По окончанию этого процесса, однако, осталось определенное количество электронов, достаточное, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.