Этапы эволюции вселенной

Содержание:

 

     Содержание…………………………………………………………...1

     Введение……………………………………………………………....2

     Теории эволюции Вселенной……………………………………......4

     Начало Вселенной…………………………………………………....6

     Эволюция Вселенной………………………………………………...9

     1) Адронная эра……………………………………………………...9

     2) Лептонная эра…………………………………………………….11

     3) Фотонная эра или эра излучения……………………………….12

     4) Звездная эра……………………………………………………....14

     Модели будущего вселенной……………………………………….15

     Заключение………………...…………………………………………20

     Список использованной литературы……………………..………..22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

Введение

     Исследованием Вселенной стал заниматься еще самый древний Человек. Небо было доступно для его обозрения – оно было для него интересным. Недаром астрономия – самая древняя из наук о природе – и, по сути, почти самая древняя наука вообще.

      Не потерял интереса к изучению проблем космоса и Современный Человек. Но он смотрит уже немного глубже: ему не просто интересно что есть Вселенная сейчас – он жаждет знаний о том:

что было когда Вселенная рождалась?

рождалась ли она Вообще или она глобально стационарна?

как давно это было и  как происходило?

     Для поиска ответа на все эти Непростые ответы была отведена специальная ниша в астрономии – космология.

     Космология  - это физическое учение о Вселенной как в целом, включающее в себя теорию всего охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной.

     Космология попыталась дать ответы на эти вопросы. Была создана теория Большого Взрыва, а так же теории, описывающие первые мгновения рождения Вселенной, ее появление и структуризации.

     Всё это позволяет нам понять сущность физических процессов, показывает источники, создающие современные законы физики, даёт возможность прогнозировать дальнейшую судьбу Вселенной.

     Поэтому космология, как и любая другая наука живет и бурно развивается, принося все новые и новые фундаментальные знания об окружающем нас мире. Хотя и не так стремительно, как например, компьютерные технологии, и  в большей мере за счет «альтернативных» теорий, но все-таки развивается.

     Данная работа посвящена эволюции Вселенной: в ней рассматриваются первые мгновения жизни Вселенной, её дальнейшая эволюция и модели будушего развития Вселенной.

     Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной. И всё же исследования проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес,  закрывающий от нас далекое прошлое. Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был на столько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом. На протяжении десяти миллиардов лет после  “большого взрыва” простейшее бесформенное вещество постепенно превращалось в атомы, молекулы, кристаллы, породы, планеты. Рождались звезды, системы, состоящие из огромного количества

элементарных частиц с  весьма простой организацией. На некоторых  планетах

могли возникнуть формы жизни.

    

 

 

 

 

 

 

Теории эволюции Вселенной.

     Существует несколько теорий эволюции. Теория пульсирующей Вселенной утверждает, что наш мир произошел в результате гигантского взрыва. Но расширение Вселенной не будет продолжаться вечно, т.к. его остановит гравитация. По этой теории наша Вселенная расширяется на протяжении 18 млрд. лет со времени взрыва. В будущем расширение полностью замедлится, и произойдет остановка. А затем Вселенная начнёт сжиматься до тех пор, пока вещество опять не сожмется и произойдет новый взрыв.

      Теория стационарного взрыва: согласно ей Вселенная не имеет ни начала, ни конца. Она все время пребывает в одном и том же состоянии. Постоянно идет образование нового водоворота, чтобы возместить вещество удаляющимися галактиками. Вот по этой причине Вселенная всегда одинакова, но если Вселенная, начало которой положил взрыв, будет расширяться до бесконечности, то она постепенно охладится и совсем угаснет.

     Но пока ни одна из этих теорий не доказана, т.к. на данный момент не

существует ни каких точных доказательств хотя бы одной из них.

            Однако стоит отметить и еще одну теорию (принцип).

     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 утверждает, что Вселенная такая, какая она есть потому, что есть наблюдатель или же он должен появиться на определенном этапе развития. В доказательство создатели этой теории приводят очень интересные факты. Это критичность фундаментальных констант и совпадение больших чисел. Получается, что они полностью взаимосвязаны и их малейшее изменение приведет к полному хаосу. То, что такое явное совпадение и даже можно сказать закономерность существует, дает этой, безусловно, интересной теории шансы на жизнь.

             

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Начало Вселенной.

              Процесс эволюции Вселенной происходит  очень медленно. Ведь Вселенная  во много раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной. И всё же исследования, проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес, закрывающий от нас далекое прошлое.

Современные астрономические  наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был настолько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.

Момент с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом.

Тогда началась первая и  полная драматизма эра в истории  вселенной, ее

называют  “большим взрывом” или английским термином Big Bang. Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда то же самое

количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно  возрастающий объём. 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 :

                   

Зависимость температуры Т от времени t дает нам возможность определить, что например, в момент, когда возраст вселенной исчислялся всего одной десятитысячной секунды,  её температура представляла  один  биллион Кельвинов.

Температура раскаленной  плотной материи на начальном  этапе Вселенной со временем понижалась, что и отражается в соотношении. Это значит, что понижалась средняя кинетическая энергия частиц kT . Согласно соотношению hn=kT понижалась и энергия фотонов. Это возможно лишь в том случае, если уменьшится их частота  n.

Понижение энергии фотонов  во времени имело для возникновения  частиц и античастиц путем материализации важные последствия. Для того чтобы фотон превратился (материализовался) в частицу и античастицу с массой mo и энергией покоя moc²,  ему необходимо обладать энергией 2moc² или большей. Эта  зависимость выражается  так :

                               

Со временем энергия фотонов  понижалась, и как только она упала  ниже произведения энергии частицы и античастицы (2m_oc²), фотоны уже не способны были обеспечить возникновение частиц и античастиц с массой mo. Так, например, фотон, обладающий энергией меньшей, чем 2.938 Мэв = 938 Мэв, не способен материализоваться в протон и антипротон, потому что энергия покоя протона равна 938 мэв.

В предыдущем соотношении  можно заменить энергию фотонов  hn кинетической энергией частиц kT ,

                   

то есть

             

Знак неравенства означает следующее: частицы и соответствующие  им античастицы возникали при материализации в раскаленном веществе до тех пор, пока температура вещества T не упала ниже значения.

                     

На начальном этапе  расширения Вселенной из фотонов  рождались частицы и античастицы. Этот процесс постоянно ослабевал, что привело к вымиранию частиц и античастиц. Поскольку аннигиляция может происходить при любой температуре, постоянно осуществляется процесс

       частица + античастица  Þ 2 гамма-фотона      

при условии соприкосновения  вещества с антивеществом. Процесс  материализации

         гамма-фотон Þ частица + античастица        

мог протекать лишь при  достаточно высокой температуре. Согласно тому, как материализация в результате понижающейся  температуры раскаленного вещества приостановилась.

            

 

 

 

Эволюция Вселенной.

             Эволюцию Вселенной принято разделять  на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную и звездную.

 

Адронная эра.

 

     Длилась примерно от t=10^-6 до  t=10^-4. Плотность порядка 10¹⁷ кг/м³

при T=10¹².10¹³. При очень высоких температурах и плотности в самом начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц. Вещество на самом раннем этапе состояло прежде всего из адронов, и поэтому ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны.

Через миллионную долю секунды  с момента рождения Вселенной, температура T упала на 10 биллионов Кельвинов(10¹³K). Средняя кинетическая энергия частиц kT и фотонов hn составляла около миллиарда эв (10³ Мэв), что соответствует энергии покоя барионов. В первую миллионную долю секунды эволюции Вселенной происходила материализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но по прошествии этого времени материализация барионов прекратилась, так как при температуре ниже 10¹³ K фотоны не обладали уже достаточной энергией для ее осуществления. Процесс аннигиляции барионов и антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов (протоны и нейтроны). Так во вселенной исчезла самая большая группа барионов - гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад гиперонов происходил на этапе с 10^-6 до 10^-4 секунды.

К моменту, когда возраст  Вселенной достиг одной десятитысячной секунды (10^-4 с.), температура ее понизилась до 10¹² K, а энергия частиц и

фотонов представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже для возникновения самых легких адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг 10^-4 с., в ней исчезли все мезоны. На этом и кончается адронная эра, потому что пионы являются не только самыми легкими мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда после этого сильное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды.