Теория Большого Взрыва Реферат по Ксе

      Комментарии к записи Теория Большого Взрыва Реферат по Ксе отключены

Теория Большого Взрыва Реферат по Ксе.rar
Закачек 1446
Средняя скорость 6691 Kb/s
Скачать

равным 300 световых лет, количество галактик приблизительно равно. Однородность и изотропность вселенной, принято называть Космологическим Принципом. При взрыве, который предложен физиками, такого эффекта быть не может. Это возможно только в случае, когда вещество равномерно возникло во всём объёме вселенной.
При термоядерной реакции выделяется не только энергия, но и вакуум. Расстояние между пунктом «А» и «Б» зависит от количества вакуума находящегося между ними. Чем активнее происходили термоядерные процессы в галактике, тем больше выбрасывалось вакуума, и тем быстрее она удалялась от остальных галактик. Вселенная начала расширяться. Вселенная расширялась не за счёт энергии первичного взрыва, а благодаря термоядерным реакциям звёзд. Как сохраняли галактики свою структуру можно найти в статье «Геометрия галактик». Вакуум, освободившийся после термоядерных реакций, постепенно покидает пределы метагалактики, но пока термоядерная активность звёзд велика, и количество вакуума, излучаемое звёздами больше, чем покидающее метагалактику, она будет расширяться.
Как только термоядерная активность галактик уменьшится, вселенная продолжит увеличиваться, а вот метагалактика начнёт уменьшаться. Это произойдёт тогда, когда количество вакуума, покидающее метагалактику, будет больше, чем получаемую при термояде. Галактики начнут движение к общему центру, цикл замкнётся, и всё повторится с начала.
Мы выяснили, что Вселенная постоянно расширяется; тот момент с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом. Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда тоже самое количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий объём.
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 температура, 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:

1011 звезд и имеет форму линзы диаметром 80 тысяч световых лет и толщиной

30 тысяч световых лет.
Да все спиральные галактики имеют форму линзы, а вот толщина этих «линз» прямопропорциональна термоядерным процессам, происходящим в галактиках. Этот феномен современная физика объяснить не может, так как считает, что элементарные частицы состоят из кварков. На самом деле элементарные частицы состоят из кванта энергии и вакуума, имеющего сложное строение. Именно вакуум превращает волну в корпускулу. При термоядерной реакции выделяется не только энергия, но и вакуум, со всеми его структурами, в том числе и с носителем гравитационного поля. Этот тип гравитации называется «Линейным». Именно Линейная гравитация притягивает звёзды к плоскости спиральных галактик. Уменьшатся термоядерные реакции в галактике, и галактики, из спиральных, будут превращаться в шаровые.
Данные наблюдений показывают, что в крупных масштабах Вселенная однородна и изотропна. Грубо говоря, это означает, что в любой сфере с фиксированным достаточно большим диаметром (достаточным считается число

300 миллионов световых лет) содержится приблизительно одинаковое число галактик. Утверждение об однородности и изотропности Вселенной в больших масштабах принято называть Космологическим Принципом.
Однородность и изотропность вселенной никак не вяжется с взрывным процессом. Ни при одном взрыве такого быть не может. Это возможно только в том случае, когда всё вещество Вселенной, возникло по всему объёму Вселенной, а не из одной точки.
Количественным итогом этих наблюдений является сформулированный в 1929 году Хабблом «закон разбегания», согласно которому, все галактики (в среднем) удаляются от нас, и скорость этого разбегания u приблизительно пропорциональна расстоянию R до рассматриваемой галактики.
Если бы галактики удалялись от нас, то никакого Космологического Принципа не могло бы быть. Галактики удаляются не от нас, а друг от друга.
Наглядной моделью такого разбегания может послужить надуваемый резиновый шарик с нанесенными хаотически на его поверхность точками — «галактиками»: при надувании все эти точки будут удаляться друг от друга в точном соответствии с законом Хаббла.
В резиновый шарик надувают газ, а что надувается в нашу вселенную, что бы она расширялась? Точки «разбегаются на поверхности шарика (на плоскости), а наша Вселенная увеличивается во всём объёме. Это хороший образ, но он не объясняет природы данного явления. К образным примерам прибегают тогда, когда нет реальных знаний. Наша Вселенная увеличивается в объёме за счёт термоядерных реакций, происходящих в звёздах. Как только термоядерные реакции замедлятся, Вселенная начнёт сжиматься.
Это модель «двумерного замкнутого мира». Аналогичный «открытый мир» можно представить в виде резиновой плоскости с нанесенными точками, равномерно растягивающейся во всех направлениях.
И опять это плоскость. И опять это образ. Никакое образное сравнение, не может заменить знание природы расширения вселенной. Удаление галактик связано не только с расстоянием, но и с термоядерными процессами, происходящими в галактиках. Но уже в конце сороковых годов появились первые работы физиков-теоретиков, в которых предсказывалось, что в настоящий момент вся Вселенная должна быть заполнена равновесным электромагнитным излучением с эффективной температурой в несколько градусов Кельвина.
Это означает, что взрыв был не точечным, а равномерным по всему объёму Вселенной.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Глазовский инженерно-экономический институт (филиал)

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет»

по учебной дисциплине «Концепции современного естествознания»

на тему « Эволюция Вселенной. Теория Большого взрыва»

1 курса, гр. 1231у М.А.Веретенникова

Проверил А.Б. Федоров

История Вселенной согласно стандартной модели Большого взрыва………………8

Какая судьба ожидает вечно расширяющуюся Вселенную. . 17

Список используемой литературы …………………………………………………. 21

Область астрономии, которая изучает и моделирует Вселенную как целое, называется космологией. Именно космологи определяют и объясняют, что представляет собой Вселенная, изменяется ли она со временем и если да, то каковы были ее свойства в прошлом.

Картина ночного неба представляется наблюдателю некоторым эталоном стабильности по сравнению с окружающими его процессами на Земле и в обществе: на протяжении всей жизни человека видимые звезды сохраняют неизменными свои положения и яркости, сохраняется привычный рисунок созвездий, и это единообразие нарушается лишь заметным движением небольшого числа объектов типа планет или комет, относящихся к нашей Солнечной системе.

Но это первое впечатление неизменности окружающей нас Вселенной в действительности обманчиво: она эволюционирует, и эта эволюция, сравнительно медленная сейчас, на ранних этапах была невообразимо быстрой, так что серьезные качественные изменения состояния Вселенной происходили за доли секунды. По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла около 15 миллиардов лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния с бесконечно большими температурой и плотностью и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно этой теории Большого Взрыва, дальнейшая эволюция зависит от измеримого экспериментального параметра р – средней плотности вещества в современной Вселенной. Если р меньше некоторого (известного из теории) критического значения рс , Вселенная будет расширяться вечно; если же р больше рс , то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнется обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины р еще недостаточно надежны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.

Есть ряд вопросов, на которые теория Большого Взрыва ответить пока не может, однако основные ее положения обоснованы надежными 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 неопределенность на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.

Закончив на этом общее введение, переходим к более подробному изложению теории Большого Взрыва и порождаемых ею проблем.

Основными экспериментальными основаниями данной теории являются следующие три:

  • Наблюдаемое «разбегание» далеких галактик, подчиняющее закону Хаббла υ=RH.
  • Открытие в 1964 году Р.Пензиасом и А.Вильсоном космического фона «реликтового излучения», по интенсивности и спектральному составу эквивалентного излучению черного тела с температурой около 3К.
  • Наблюдаемый химический состав Вселенной, состоящей приблизительно из 3/4 (по массе) водорода и 1/4 гелия с небольшой (порядка одного процента) примесью прочих элементов.

Прежде всего поясним подробнее перечисленные выше основные экспериментальные свидетельства в пользу теории Большого Взрыва.

Изменяется ли наш мир? В 1916 году немецкий ученый Альберт Эйнштейн (1879-1955) разработал теорию относительности, которую сразу же начал применять для создания космологической модели Вселенной. Со временем Аристотеля считалось, что наша Вселенная стационарна, т.е. с течением времени она не только не меняется в общих чертах, но в ней не происходит каких-либо крупномасштабных движений. Вселенная — согласно теории относительности – отнюдь не стационарна. Она либо расширяется, либо сжимается! Эйнштейн, однако, не решился опровергнуть устоявшееся мнение, поскольку не был до конца уверен в безошибочности своих выводов.

В варианте Эйнштейна Вселенная получилась конечной и замкнутой – нечто аналогичное поверхности шара. Ее пространство искривлено, и луч света, идущий в одном направлении, через определенный промежуток времени должен вернуться в исходную точку, но с противоположной стороны. Одним из тех, кто иначе взглянул на подобную неизменную модель Мироздания, стал российский метеоролог, математик по образованию, Александр Фридман (1888-1925). Он доказал, что первоначальное решение Эйнштейна не было ошибочным: действительно, Вселенная должна изменяться.

Впрочем, все эти рассуждения о якобы расширяющейся Вселенной воспринимались поначалу скептически. Астрономы не соглашались считать подобные теории описанием реального мира до тех пор, пока они не будут подтверждены наблюдениями.

Честь стать первооткрывателем в этой области принадлежит американскому астроному Эдвину Хабблу (1889-1953). На основе многочисленных наблюдений он в 1929 г. установил, что вселенная в целом расширяется – галактики и их скопления удаляются друг от друга и от нашей Галактики с огромной скоростью. Причем «разбегание» становится тем быстрее, чем больше оказывается расстояние между звездными «материками». С течением времени размеры Вселенной непрерывно возрастают. Ученые произвели необходимые расчеты и определили, что возраст Вселенной приблизительно равен 15 млрд. лет.

Открытие Хаббли положило начало новым представлениям о Вселенной – ее глобальная эволюция была доказана теоретически и практически.

Так можно проиллюстрировать расширение Вселенной. Галактики удаляются друг от друга в космическом пространстве аналогично меткам на надувном шарике.

Теория Большого взрыва

Величайшим достижением современной космологии стала модель расширяющейся Вселенной, названная теорией Большого взрыва.

Все вещество в Космосе в какой-то начальный момент было сдавлено буквально ни в что – спрессовано в одну-единственную точку. Оно имело фантастически огромную плотность – ее практически невозможно себе представить, она выражается числом, в котором после единицы стоят 96 нулей, — и столь же невообразимо высокую температуру. Астрономы назвали такое состояние сингулярностью.

В силу каких-то причин это удивительное равновесие было внезапно разрушено действием гравитационных сил – трудно даже вообразить, какими они должны были быть при бесконечно огромной плотности «первовещество»! Этому моменту ученые дали название «Большой взрыв». Вселенная начала расширяться и остывать.

Следует отметить, что вопрос о том, каким же было рождение Вселенной – «горячим» или «холодным», — не сразу был решен однозначно и занимал умы астрономов долгое время. Интерес к проблеме был далеко не праздным – ведь от физического состояния вещества в начальный момент зависит, например, возраст Вселенной.

Кроме того, при высоких температурах могут протекать термоядерные реакции. Следовательно, химический состав «горячей» Вселенной должен отличаться от состава «холодной». А от этого в свою очередь зависят размеры и темпы развития небесных тел.

История Вселенной согласно стандартной модели

В нулевой момент времени Вселенная возникла из сингулярности. В течение первой миллионной доли секунды, когда температура значительно превышала 10 12 К, а плотность была немыслимо велика, должны были неимоверно быстро сменять друг друга экзотические взаимодействия, недоступные пониманию в рамках современной физики. Мы можем лишь размышлять над тем, каковы были те первые мгновения; например, возможно, что четыре фундаментальные силы природы были вначале слиты воедино. Однако есть основания полагать, что к концу первой миллионной доли секунды уже существовал первичный «бульон» богатых энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества. Эта самовзаимодействующая масса находилась в состоянии так называемого теплового равновесия.

В те первые мгновения все имевшиеся частицы должны были непрерывно возникать и аннигилировать. Любая материальная частица имеет некоторую массу, и поэтому для ее образования требуется наличие определенной «пороговой» энергии»; пока плотность энергии фотонов оставалась достав точно высокой, могли возникать любые частицы. Мы знаем также, что, когда частицы рождаются из гамма-излучения (фотонов высокой энергии), они рождаются парами, состоящими из частицы и античастицы, например электрона и позитрона. В условии сверхплотного состояния материи, характерного для раннего этапа жизни Вселенной, частицы и античастицы должны были тотчас же после своего рождения снова сталкиваться, превращаясь в гамма-излучение. Это взаимное превращение частиц в излучение и обратно продолжалось до тех 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, но некоторые из этих частиц все-таки избежали взаимной аннигиляции со своими античастицами — иначе в современной нам Вселенной не было бы вещества! Через 1с после Большого взрыва температура понизилась примерно до 10 10 К, и нейтрино, по существу, перестали взаимодействовать с веществом: Вселенная стала практически прозрачной для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова, но примерно через 10с уровень плотности энергии излучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение в катастрофическом процессе взаимной аннигиляции, оставив после себя лишь незначительное количество электронов, достаточное, однако, для того, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.

Пример готового реферата по предмету: Концепция современного естествознания

1. Понятие «Большой взрыв» в астрофизике 2

2. Теоретические основы модели «Большого взрыва» 4

3. Эволюция Вселенной в модели «Большого взрыва» 6

Выдержка из текста

Зарядовая симметрия характеризует степень симметричности характеристик взаимодействия частиц при замене их на аналогичные античастицы. Античастицами считаются -двойники элементарных частиц, с той же массой и спином, но отличающихся от неё знаками иных характеристик взаимодействия — электрического и цветового заряда, барионного и лептонного квантовых чисел. Чётность — вид симметрии, который заключается в инвариантности процессов в физических системах и описывающих их уравнений при зеркальном преобразовании физической системы. В современной физике СР симметрия выполняется для сильного и электромагнитного взаимодействия. Для слабого взаимодействие инвариантность зарядового сопряжения не выполняется. Поскольку вместе с барионами образовывались и антибарионы, при абсолютной симметрии это приводило бы к равенству количества вещества и антивещества во Вселенной, Взаимодействие равных количеств вещества и антивещенства приводило бы к аннигиляции, образованию потока фотонов и сохранению предельно простого строения материи.

Позднее спонтанно нарушается симметрия электрослабых взаимодействий, которые разделяются на собственно электромагнитные и слабые.

Адронную эпоху сменяет седьмая — лептонная эпоха, особенностью которой, определяющей название считается преобладание в материи Вселенной лептонов и их гипотетических суперпартнёров — слептонов. Количество адронов и антиадронов существенно уменьшилось вследствие взаимной аннигиляции. Лептоны это фундаментальные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. Известно три поколения (группы) лептонов и соответствующих античастиц. Первое поколение: составляет электрон и электронное нейтрино (античастица позитрон); второе поколение: мюон (антимюон), мюонное нейтрино; третье поколение: тау-лептон (антитаулептон или антитаон), тау-нейтрино. Причина существования нескольких поколений до конца не выяснена.

Существует предположение, что физические процессы в «альтернативной» Вселенной принципиально не отличались бы, если существовало только одно поколение лептонов. В конце эпохи происходит частичная аннигиляция лептонов и антилептонов, плотность вещества суменьшается, так что оно становится проницаемым для нейтрино. Материя, состоящая из барионов и лептонов (барионная материя) уже является современным состоянием вещества. Считается, что в лептонную эпоху осуществлялся процесс первичного нуклеосинтеза, поскольку Вселенная уже достаточно охладилась для образования стабильных нуклонов и образовался необходимый строительный материал для образования атомов и молекул т. е. барионы и лептоны. В наиболее распространённой модель Большого Взрыва постулируется следующее соотношение элементов: H — 75%, 4He — 25%, D-3· 10− 5, 3He — 2· 10− 5, 7Li — 10−

9. На последующих этапах развития на созданной «базе» материи возникает и усложняется структура Вселенной.

Интервал времени между 3 мин и 380

00. лет получил название «протонная эпоха». Основным астрофизическим процессом считается образование ядер атомов, атомов и молекул, прежде всего гелия, дейтерия, лития-7. В структуре материи стабильные частицы (вещество) постепенно начинают преобладать над переносчиками взаимодействия. В конце протонной эпохи (380

00. лет от большого взрыва) начинается процесс рекомбинации. В данном случае суть процесса составляет молекул водорода. Необходимым условием рекомбинации, т. е. образования стабильных частиц является снижение температуры вещества примерно до 3000 К. Вещество становится проницаемым для фотонов теплового излучения, которые ранее поглощались другими элементарными частицами. Поток фотонов, сформировавшийся в эту эпоху составляет основу реликтового излучения. В эту же эпоху, с дальнейшим падением температуры и увеличения размеров Вселенной гравитация становится основным видом взаимодействия объектов — сильные и слабые взаимодействия ограничиваются локальными областями пространства.

Промежуток времени Между 380

00. лет и 550 млн лет от Большого взрыва принято называть тёмными веками. Название обусловлено отсутствием концентрированных источников светового излучения. Вещество Вселенной (водород и гелий), плотность реликтового излучения и радиоизлучения атомарного водорода с длиной волны 21 см относительно равномерно распределено сравнительно. Современные нам типы космических объектов, имеющих собственное излучение — звёзды, квазары отсутствуют. Такое заключение сделано из распределения возраста известных объектов Вселенной.

Заключительным этапом формирования современной физической картины мира считается эпоха реионизации (иначе повторной или вторичной ионизации водорода), которая началась примерно

55. млн лет от большого взрыва (хотя известны и ранние датировки) и закончилась

80. млн лет после Большого Взрыва. В это время складывается известная нам структура вселенной и образуются первые современные космические объекты — галактики, квазары, звёзды, скопления и сверхскопления галактик. Реионизация происходит собственно в массивных объектах кластерах за счёт большого гравитационного сжатия и процессов термоядерного синтеза. Считается, что первыми массивными объектами, образовавшимися после «тёмных веков» были квазары. Разные формы галактик и газопылевых туманностей возникли позднее, впоследствии из сжимающегося вещества образуются звёзды, в ходе эволюции которых синтезируются элементы тяжелее гелия (астрофизические металлы) [3,4].

Изложенное видение теории «Большого взрыва», построенное на справочных, научных и научно-популярных источниках, безусловно не претендует на полноту, но ставит задачей показать интегральный характер этой научной идеи. В настоящее время, некоторые феномены эволюции Вселенной трудно объяснимы в рамках классической схемы Большого взрыва, в частности подвергается сомнению исходное сингулярное состояние вещества. Идеей с наибольшей объяснительной силой полагают квантовую гравитацию, природа которой которая рассматривается в рамках теории струн и петлевой квантовой гравитации. Прочие феномены эволюции Вселенной вполне согласуются с современными физическими теориями и неоклассической картиной мира.

  • Пиковер К. Великая физика. От Большого взрыва до Квантового воскрешения.

25. основных вех в истории физики / К. Пиковер; пер. с англ. М. А. Смондырева. —М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — 551 с.

Современное естествознание. Энциклопедия в 10 томах. Т.

4. Физика элементарных частиц. Астрофизика/ Ред. тома Б. И. Садовников. — 2000. — 279 с.

Цимерманис Л.Х. Вселенная до и после большого взрыва Краткая история материи, пространства и времени. Изд. 2-е, испр. и доп. — М.: Издательство ЛКИ, 2012. — 88 с. (Relata Refero.)

Хван М.П. Неистовая Вселенная: От Большого взрыва до ускоренного расширения, от кварков до суперструн. — М.: ЛЕНАНД, 2006. — 408 с.

Список источников информации

1. Пиковер К. Великая физика. От Большого взрыва до Квантового воскрешения.

25. основных вех в истории физики / К. Пиковер; пер. с англ. М. А. Смондырева. —М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — 551 с.

2. Современное естествознание. Энциклопедия в 10 томах. Т.

4. Физика элементарных частиц. Астрофизика/ Ред. тома Б. И. Садовников. — 2000. — 279 с.

3. Цимерманис Л.Х. Вселенная до и после большого взрыва Краткая история материи, пространства и времени. Изд. 2-е, испр. и доп. — М.: Издательство ЛКИ, 2012. — 88 с. (Relata Refero.)

4. Хван М.П. Неистовая Вселенная: От Большого взрыва до ускоренного расширения, от кварков до суперструн. — М.: ЛЕНАНД, 2


Статьи по теме