Реферат по астрономии:
Проблемы происхождения Вселенной. Гипотеза большого взрыва.
Ульяновой Анастасии, 11а класса, гимназии №248
2001 г.
Проблема начала вселенной, подобна старому вопросу:
Что произошло первым цыпленок или яйцо. Другими словами, какая сила создала вселенную. И что создало эту силу. Или возможно, вселенная, или сила, которая создавало все это, существовали всегда, и не имели начала.
Вплоть до недавнего времени, ученые имели тенденцию не касаться таких вопросов потому, что они принадлежали к метафизике или религии, а не к науке.
Тем не менее, в последнее время возникло учение о том, что Законы
Науки могут быть даже в начале вселенной. В этом случае, вселенная могла
определяться полностью Законами Науки.
Многие ранние традиции, Еврейская, Христианская и Исламская религии, считали что вселенная создалась довольно недавно. Например, Епископ Ушер вычислил дату в четыре тысячи четыреста лет, для создания вселенной, прибавляя возраст людей в Ветхом Завете. Фактически, дата библейского создания не так далека от даты конца последнего Ледникового Периода, когда появился первый современный человек.
С другой стороны, некоторые люди, как например, Греческий философ
Аристотель, Декарт, Ньютон , Галилей не признавали идею о том, что
вселенная имела начало. Они чувствовали, что это могло было быть. Но они
предпочли верить в то, что вселенная, существовала, и должна была
существовать всегда то есть вечно и бесконечно.
Вселенная была по существу неменяющейся во времени. Время абсолютно
однородно и синхронизировано. В любой точке вселенной оно одинаково.
Пространство тоже однородно и изотропно. Масштаб одинаков в любой точке
вселенной. Или она была создана в своей настоящей форме, или она
существовал всегда, подобно сегодняшней. Это было естественное убеждение в
то время, поскольку человеческая жизнь, на самом деле, очень короткий
отрезок истории, которую вселенная значительно не изменила по сравнению с
возрастом самой вселенной. В статической, неменяющейся вселенной, вопрос о
том, что вселенная существовала всегда, или создалась в прошлом, -
действительно материал для метафизики или религии: каждая теория могла бы
принять во внимание такую вселенную.
На самом деле, в 1781, философ, Иммануил Кант, написал необычную и очень неясную работу, Критику Чистого Разума. Там, он решил, что были одинаково правильные доводы, оба для веры, что вселенная имела начало, и для веры же, что его не было. Как говорит его название , его выводы были основаны просто на причине. Другими словами, они не взяли в счет наблюдения о вселенной. В конце концов, в неменяющейся вселенной, было ли что наблюдать?
Таким образом перед учеными вставала проблема выбора между верой в
бога и материальной верой. Они еще не знали первопричин происхождения
вселенной так как у них не было в то время достаточной научной базы. Вера в
Бога была более предпочтительна. Исторически христианство было старше чем
наука и естественно немногие воспринимали науку серьезно , но со временем
она набирала силу и все чаще люди поворачивали голову в ее сторону.
Тайна в науке - это то , что наука не может объяснить, как она не может объяснить то , что было до большого взрыва. Ведь все, что происходило до момента возникновения вселенной, точки сингулярности, не обсуждается- это догма. А непознанное в науке - это та тайна , которая в ближайшее время не может быть раскрыта.
В 19-е столетии подтверждение начала вселенной накапливались. Земля и остальная часть вселенной, фактически изменились со временем. С одной стороны, геологи поняли что образование скал, и ископаемых в них, имело возраст сотни или тысячи миллионов лет. Это было намного более длинным сроком ,чем возраст Земли, согласно Христианству.
С другой стороны, немецкий физик, Больцман, вывел так называемый
Второй Закон Термодинамики. Он указывает на то, что общая сумма
беспорядочно движущихся частиц во вселенной (который измеряется количеством
называющимся энтропия), всегда увеличивается со временем. Это,
предполагает, что вселенная могла быть в сжатом состоянии только в одно
время в точке начала. В противном случае, вселенная должна вырождаться в
состояние полного беспорядка с одинаковой температурой.
Другая трудность с идеей статической вселенной была в том, что
согласно Закону Силы Тяжести Ньютона, каждая звезда во вселенной должна
притягиваться к каждой другой звезде. То как они могли бы остаться на
постоянном расстоянии от друг друга? Не будут ли они все вместе падать?
Ньютон был осведомлен об этой проблеме о звездах, привлекающих друг друга.
В письме к Ричарду Бентли, ведущему философу того времени, он согласился,
что конечное скопление звезд не может остаться неподвижным: они бы все
упали вместе, в некоторой центральной точке. Тем не менее, он поспорил, что
бесконечное скопление звезд, не должно падать вместе: для них не было бы
центральной точки , чтобы туда упасть. Этот аргумент является примером
западней, одну из которых мы можем встретить, когда одни говорят о
бесконечных системах. Используя другие пути, чтобы добавить силу в каждой
звезде, из бесконечного количества других звезд во вселенной, однажды мы
можем получить другие ответы на вопрос: они могут оставаться на постоянном
расстоянии от друг друга. Мы теперь знаем, что правильная методика должна
рассматривать случай начальной точки , откуда произошел мир.
Несмотря на эти трудности с идеей статической и неменяющейся
вселенной никто в семнадцатых, восемнадцатых, девятнадцатых или ранних
двадцатых столетиях, не считал что вселенная могла развиваться со временем.
Ньютон и Эйнштейн, оба пропустили шанс предсказывания, что вселенная могла
бы или сокращаться, или расширяться. Нельзя действительно ставить это
против Ньютона, из-за того, что он жил двести пятьдесят лет перед
открытием расширения вселенной. Но Эйнштейн должен был знать это лучше.
Когда он сформулировал Теорию Относительности, чтобы проверить теорию
Ньютона с его собственной Специальной Теорией Относительности, он добавил
так называемую, "космическую константу''. Это представляло собой
отталкивающий гравитационный эффект, который мог бы балансировать эффект
притяжения материала во вселенной. Таким образом, было возможно иметь
статическую модель вселенной.
Эйнштейн позже сказал: космическая константа была величайшей ошибкой
моей жизни. Это произошло после наблюдений отдаленных галактик, Эдвином
Хабблом в 1920 году, и показало, что они перемещаются далеко от нас, со
скоростями, которые были приблизительно пропорциональными их расстоянию от
нас. Другими словами, вселенная не статическая, как прежде было принято
думать: она расширяется. Расстояние между галактиками возрастает со
временем.
В 1929 году Хаббл открывает эффект так называемый эффект «красного смещения». Он утверждает, что во всех наблюдаемых спектрах всех наблюдаемых галактик он видит красную подсветку в части спектра. Он брал в пример наблюдателя, стоящего около источника света, который удалялся или приближался. При удалении источника света мы наблюдаем красный свет спектра, а при приближении- фиолетовый. источник света h - длина волны неподвижного источника света h’- длина волны движущегося источника света h’/ h = 1+V/C если V>0 то h’>h
V=HR - Закон Хаббла где R- расстояние до исследуемой галактики
H- постоянная Хаббла
V- скорость разбегания галактики
H=15км/с на 1млн.световых лет
Это означает, что все галактики от нас удаляются. Но наука , как ни
странно , забыла об этом до 1964 года. И лишь в 1964 году ученые Пензиас и
Вильсон открывают эффект «реликтового фона». Они утверждают , что во всех
точках вселенной наблюдается постоянный и однородный шум- реликтовый фон
равный 3 градусам К.
Это означает, что галактики удаляются с определенной скоростью. А если они удаляются, значит была и начальная точка отсчета.
Эти два неоспоримых и полностью доказанных факта подтверждают теорию
Большого Взрыва. Значит начало было и все ранние научные догмы по проблеме
начала вселенной полностью опровергаются. С этого момента научное понятие
начала вселенной пришло в некоторое согласие с христианской точкой зрения
на этот вопрос. Ведь христиане также считают, что начало было, но правда у
них началом был БОГ и он же создал вселенную.
В начале сотворил Бог небо и землю. Земля же была безвидна и пуста,
и тьма над бездною, и Дух Божий носился над водою. И сказал Бог: да будет
свет. И стал свет. И увидел Бог свет, что он хорош, и отделил Бог свет от
тьмы. И назвал Бог свет днем, а тьму ночью. И был вечер, и было утро: день
один. 6 И сказал Бог: да будет твердь посреди воды, и да отделяет она воду
от воды. [И стало так.] И создал Бог твердь, и отделил воду, которая под
твердью, от воды, которая над твердью. И стало так. И назвал Бог твердь
небом. [И увидел Бог, что это хорошо.] И был вечер, и было утро: день
второй. И сказал Бог: да соберется вода, которая под небом, в одно место,
и да явится суша. И стало так. [И собралась вода под небом в свои места, и
явилась суша.] И назвал Бог сушу землею, а собрание вод назвал морями. И
увидел Бог, что это хорошо. И сказал Бог: да произрастит земля зелень,
траву, сеющую семя [по роду и по подобию ее, и] дерево плодовитое,
приносящее по роду своему плод, в котором семя его на земле. И стало так.
И произвела земля зелень, траву, сеющую семя по роду [и по подобию] ее, и
дерево [плодовитое], приносящее плод, в котором семя его по роду его [на
земле]. И увидел Бог, что это хорошо. И был вечер, и было утро: день
третий. И сказал Бог: да будут светила на тверди небесной [для освещения
земли и] для отделения дня от ночи, и для знамений, и времен, и дней, и
годов; и да будут они светильниками на тверди небесной, чтобы светить на
землю. И стало так. И создал Бог два светила великие: светило большее, для
управления днем, и светило меньшее, для управления ночью, и звезды; и
поставил их Бог на тверди небесной, чтобы светить на землю, и управлять
днем и ночью, и отделять свет от тьмы. И увидел Бог, что это хорошо. И был
вечер, и было утро: день четвёртый. И сказал Бог: да произведет вода
пресмыкающихся, душу живую; и птицы да полетят над землею, по тверди
небесной. [И стало так.] И сотворил Бог рыб больших и всякую душу животных
пресмыкающихся, которых произвела вода, по роду их, и всякую птицу пернатую
по роду ее. И увидел Бог, что это хорошо. И благословил их Бог, говоря:
плодитесь и размножайтесь, и наполняйте воды в морях, и птицы да
размножаются на земле. И был вечер, и было утро: день пятый. И сказал
Бог: да произведет земля душу живую по роду ее, скотов, и гадов, и зверей
земных по роду их. И стало так. И создал Бог зверей земных по роду их, и
скот по роду его, и всех гадов земных по роду их. И увидел Бог, что это
хорошо. И сказал Бог: сотворим человека по образу Нашему [и] по подобию
Нашему, и да владычествуют они над рыбами морскими, и над птицами
небесными, [и над зверями,] и над скотом, и над всею землею, и над всеми
гадами, пресмыкающимися по земле. И сотворил Бог человека по образу
Своему, по образу Божию сотворил его; мужчину и женщину сотворил их. И
благословил их Бог, и сказал им Бог: плодитесь и размножайтесь, и
наполняйте землю, и обладайте ею, и владычествуйте над рыбами морскими [и
над зверями,] и над птицами небесными, [и над всяким скотом, и над всею
землею,] и над всяким животным, пресмыкающимся по земле. И сказал Бог:
вот, Я дал вам всякую траву, сеющую семя, какая есть на всей земле, и
всякое дерево, у которого плод древесный, сеющий семя; -- вам сие будет в
пищу; а всем зверям земным, и всем птицам небесным, и всякому [гаду,]
пресмыкающемуся по земле, в котором душа живая, дал Я всю зелень травную в
пищу. И стало так. И увидел Бог все, что Он создал, и вот, хорошо весьма.
И был вечер, и было утро: день шестой.
Бог сотворил мир за шесть дней, но если исходить из теории Большого
Взрыва возраст образования вселенной равен примерно 15-20 млрд. лет. Сейчас
теоретические физики пытаются как бы свернуть вселенную, чтобы точнее
узнать ее возраст. Но для нас же важен сам факт, что вселенная имела
начало.
История Вселенной согласно стандартной модели
Большого взрыва
В нулевой момент времени Вселенная возникла из сингулярности. В течение первой миллионной доли секунды, когда температура значительно превышала 1012К, 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 само взаимодействующая 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 1011К, 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 1 с после Большого взрыва температура понизилась примерно до 1010К, 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.
Судя по всему, должна была существовать некоторая диспропорция между
частицами (протонами, нейтронами, электронами и т. д.) и античастицами
(антипротонами, антинейтронами, позитронами и т. д.), так как все частицы
(а не только все античастицы) исчезли бы в процессе аннигиляции. В
окружающей нас части Вселенной вещества несравнимо больше, чем
антивещества, которое лишь изредка встречается в виде отдельных античастиц.
Не исключено, конечно, что на ранней стадии эволюции Вселенной в ней были
области, где доминировало вещество, и области с преобладанием антивещества
- в этом случае возможно существование звезд и целых галактик, состоящих из
антивещества; на больших расстояниях они были бы неотличимы от привычных
нам звезд и галактик из вещества. Однако у нас нет никаких свидетельств в
пользу этого предположения, поэтому более разумным кажется считать, что с
самого начала возник небольшой, но заметный дисбаланс частиц и античастиц.
В настоящее время разрабатывается ряд теорий, в которых такой дисбаланс
находит вполне естественное объяснение.
Через 3 мин после Большого взрыва температура Вселенной понизилась до
109К и возникли подходящие условия для образования атомов гелия: на это
были затрачены практически все имевшиеся в наличии нейтроны. Спустя
примерно еще минуту почти все вещество Вселенной состояло из ядер водорода
и гелия, находившихся примерно в той же количественной пропорции, какую мы
наблюдаем сегодня. Начиная с этого момента, расширение первичного огненного
шара происходило без существенных изменений до тех пор, пока через 700000
лет электроны и протоны не соединились в нейтральные атомы водорода, тогда
Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения - возникло то,
что сейчас наблюдают как реликтовое фоновое излучение.
После того как вещество стало прозрачным для электромагнитного
излучения, в действие вступило тяготение: оно начало преобладать над всеми
другими взаимодействиями между массами практически нейтрального вещества,
составлявшего основную часть материи Вселенной. Тяготение создало
галактики, скопления, звезды и планеты - все эти объекты образовались из
первичного вещества, которое, в свою очередь, выделилось из быстро
остывавшего и терявшего плотность первичного огненного шара; тяготению же
предстоит определить путь эволюции и исход жизни всей Вселенной в целом.
Тем не менее, многие вопросы, касающиеся эпохи, последовавшей за эпохой
отделения излучения от вещества, остаются пока без ответа; в частности,
остается нерешенным вопрос формирования галактик и звезд. Образовались ли
галактики раньше первого поколения звезд или наоборот? Почему вещество
сосредоточилось в дискретных образованиях - звездах, галактиках, скоплениях
и сверхскоплениях, - когда Вселенная как целое разлеталась в разные
стороны?
Есть два основных взгляда на проблему формирования галактик. Первый состоит в том, что в любой момент времени в расширяющейся смеси вещества и излучения могли существовать случайно распределенные области с плотностью выше средней. В результате действия сил тяготения эти области сначала отделились в виде очень протяженных сгустков вещества, в которых затем начался процесс фрагментации, приведший к образованию облаков меньших размеров, которые позднее превратились в скопления и отдельные галактики, наблюдаемые сегодня. Далее в этих меньших - галактических размеров - сгустках опять-таки под действием притяжения в случайных неоднородностях плотности началось формирование звезд. Существует и другая точка зрения на ход развития событий: вначале из флуктуаций плотности в расширяющемся первичном шаре сформировались многочисленные (малые) галактики, которые с течением времени объединились в скопления, в сверхскопления и, возможно, даже в более крупные иерархические структуры.
Главным пунктом в этом споре является вопрос, имел ли процесс Большого
взрыва вихревой, турбулентный, характер или протекал более гладко.
Турбулентности в крупномасштабной структуре сегодняшней Вселенной
отсутствуют. Вселенная выглядит удивительно сглаженной в крупных масштабах;
несмотря на некоторые отклонения, в целом далекие галактики и скопления
распределены по всему небу в высшей степени равномерно, а степень
изотропности фонового излучения также довольно высока (выше, чем 1:3000).
Все эти факты, видимо, говорят о том, что Большой взрыв был безвихревым,
упорядоченным процессом расширения. Но откуда же в таком случае возникли
флуктуации плотности, ставшие позднее галактиками? Решение этого вопроса
затрудняется тем, что мы не располагаем наблюдательными данными,
относящимися к критическому моменту образования звездных систем;
Согласно общепринятой точке зрения, микроволновое фоновое излучение дает нам информацию о той эпохе, когда возраст Вселенной насчитывал примерно 700 000 лет, чему соответствует красное смещение около 1000. Самый далекий от нас квазар имеет смещение 3,6, т.е. наблюдаемый свет этого квазара был испущен им, когда возраст Вселенной составлял чуть меньше 2 млрд. лет. В промежутке времени от 700 000 до 2 млрд. лет во Вселенной должно было произойти многое, в том числе сформировались галактики. Тем не менее, последние данные, скорее всего, свидетельствует в пользу второй из двух упомянутых выше гипотез, согласно которой образование галактик предшествовало формированию скоплений и сверхскоплений.
Успешное объяснение ряда явлений с помощью модели Большого взрыва привело к тому, что, как правило, не вызывает сомнения реальность происхождения микроволнового фонового излучения из расширяющегося первичного огненного шара в тот момент, когда вещество Вселенной стало прозрачным. Возможно, однако, что это слишком простое объяснение. В 1978 г., пытаясь найти обоснование для наблюдаемого соотношения фотонов и барионов (барионы - «тяжелые» элементарные частицы, к которым, в частности, относятся протоны и нейтроны) - 108:1, - М.Рис высказал предположение, что фоновое излучение может быть результатом «эпидемии» образования массивных звезд, начавшейся сразу после отделения излучения от вещества и до того, как возраст Вселенной достиг 1 млрд. лет. Продолжительность жизни этих звезд не могла превышать 10 млн. лет; многим из них было суждено пройти стадию сверхновых и выбросить в пространство тяжелые химические элементы, которые частично собрались в крупицы твердого вещества, образовав облака межзвездной пыли. Эта пыль, нагретая излучением догалактических звезд, могла, в свою очередь, испускать инфракрасное излучение, которое в силу его красного смещения, вызванного расширением Вселенной, наблюдается сейчас как микроволновое фоновое излучение.
Эта точка зрения не получила широкого признания, однако интересно
отметить, что в 1979 г. Д.П.Вуди и П.Л.Ричарде из Калифорнийского
университета опубликовали результаты наблюдений, как будто указывающие на
некоторые отклонения характеристик микроволнового фонового излучения от
кривой излучения абсолютно черного тела: кривая фонового излучения выглядит
«острее», чем ей следовало бы быть. Позднее в том же году М.Роуэн-Робинсон,
Дж.Негропонте и Дж.Силк (Колледж королевы Марии, Лондон) указали, что
«горб» на кривой микроволнового излучения, обнаруженный Вуди и Ричардсом,
может быть объяснен излучением пылевых облаков, образовавшихся вслед за
«эпидемией» массового формирования звезд, что соответствует гипотезе М.
Риса. Пока рано говорить, выдержит ли эта новая идея последующий анализ, но
если она соответствует истине, то это означает, что подавляющее количество
всей массы Вселенной содержится в невидимых остатках звезд первичного,
догалактического, поколения ив настоящее время может находиться в массивных
темных гало, окружающих яркие галактики, которые мы наблюдаем сегодня.
Антропный принцип.
Перейдем теперь к еще одной, не менее интересной теории возникновения мира. Это Антропный принцип. В чем его сущность?
Антропный (человеческий) принцип первым сформулировал в 1960 году
Иглис Г.И. , но он является как бы неофициальным его автором. А официальным
автором был ученый по фамилии Картер.
Антропный принцип говорит о том, что в начале вселенной был план мироздания, венцом этого плана является возникновение жизни , а венцом жизни- человек. Антропный принцип очень хорошо укладывается в религиозную концепцию программирования жизни.
Антропный принцип утверждает, что вселенная такая, какая она есть
потому, что есть наблюдатель или же он должен появиться на определенном
этапе развития. В доказательство вышеизложенного создатели этой теории
приводят очень интересные факты. Это Критичность Фундаментальных Констант и
Совпадение Больших Чисел.
Рассмотрим первый факт.
Фундаментальными константами называются скорость света- С постоянная планка- h заряд электрона- е масса электрона- mе масса протона- mр масса нейтрона-mn средняя плотность во вселенной- гравитационная постоянная- электромагнитная постоянная- к
Исходя из этих констант обнаружили их взаимосвязь: между массой протона, электрона и нейтрона: mр - mn > me
me= 5,5x10 г/моль
mp-mn=13,4x10 г/моль
а также критичность значений плотности во вселенной:
q=10 г/см
если q>10 ,то вселенная пульсирующая
если q