Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Великий вибух



План:


Введення

Відповідно до теорії Великого вибуху, Всесвіт у момент освіти була в надзвичайно щільному й гарячому стані, званому космологічної сингулярностью

Великий вибух ( англ. Big Bang ) - Космологічна теорія початку розширення Всесвіту, перед яким Всесвіт перебувала в сингулярному стані.

Зазвичай зараз автоматично поєднують теорію Великого вибуху і модель гарячого Всесвіту, але ці концепції незалежні і історично існувало також уявлення про холодну початковій Всесвіту поблизу Великого вибуху. Саме поєднання теорії Великого вибуху з теорією гарячого Всесвіту, що підкріплюється існуванням реліктового випромінювання, і розглядається далі.


1. Сучасні уявлення теорії Великого вибуху і теорії гарячого Всесвіту

За сучасними уявленнями, спостережувана нами зараз Всесвіт виник 13,7 0,13 млрд років тому [1] з деякого початкового "сингулярного" стану і з тих пір безперервно розширюється і охолоджується. Згідно відомим обмеженням по застосовності сучасних фізичних теорій, найбільш раннім моментом, що допускає опис, вважається момент Планковской епохи з температурою приблизно 10 32 До ( Планка температура) і щільністю близько 10 93 г / см ( Планка щільність). Рання Всесвіт представляв собою високооднородную і ізотропну середовище з надзвичайно високою щільністю енергії, температурою і тиском. В результаті розширення і охолодження у Всесвіті відбулися фазові переходи, аналогічні конденсації рідини з газу, але стосовно елементарних частинок.

Приблизно через 10 -35 секунд після настання Планковской епохи ( Планковские час - 10 -43 секунд після Великого вибуху, в цей час гравітаційна взаємодія відокремилося від інших фундаментальних взаємодій) фазовий перехід викликав експоненціальне розширення Всесвіту. Даний період отримав назву Космічної інфляції. Після закінчення цього періоду будівельний матеріал Всесвіту був кварк-глюонну плазму. З плином часу температура впала до значень, при яких став можливий наступний фазовий перехід, званий баріогенезісом. На цьому етапі кварки і глюони об'єдналися в баріони, такі як протони і нейтрони. При цьому одночасно відбувалося асиметричне освіта як матерії, яка превалювала, так і антиматерії, які взаємно анігілювали, перетворюючись на випромінювання.

Подальше падіння температури призвело до наступного фазового переходу - утворенню фізичних сил і елементарних частинок в їх сучасній формі. Після чого настала епоха нуклеосинтезу, при якій протони, об'єднуючись з нейтронами, утворили ядра дейтерію, гелію-4 і ще кількох легких ізотопів. Після подальшого падіння температури і розширення Всесвіту настав наступний перехідний момент, при якому гравітація стала домінуючою силою. Через 380 000 років після Великого вибуху температура знизилася настільки, що стало можливим існування атомів водню (до цього процеси іонізації і рекомбінації протонів з електронами перебували в рівновазі).

Після ери рекомбінації матерія стала прозорою для випромінювання, яке, вільно поширюючись у просторі, дійшло до нас у вигляді реліктового випромінювання.


2. Початковий стан Всесвіту

Екстраполяція спостережуваного розширення Всесвіту назад в часі приводить при використанні загальної теорії відносності та деяких інших альтернативних теорій гравітації до нескінченної щільності і температурі в кінцевий момент часу в минулому. Більше того, теорія не дає ніякої можливості говорити про що-небудь, що передувало цьому моменту (бо наша математична модель простору-часу в момент Великого вибуху втрачає придатність, при цьому теорія зовсім не заперечує можливість існування чого-небудь до Великого вибуху). Розміри Всесвіту тоді дорівнювали нулю - вона була стиснута в точку. Цей стан називається космологічної сингулярностью і сигналізує про недостатність опису Всесвіту класичної загальною теорією відносності. Наскільки близько до сингулярності можна екстраполювати відому фізику, є предметом наукових дебатів, але практично загальноприйнято, що допланковскую епоху розглядати відомими методами не можна. Багато вчених напівжартома-напівсерйозно називають космологічну сингулярність "народженням" (або "створенням") Всесвіту. Неможливість уникнути сингулярності в космологічних моделях загальної теорії відносності була доведена в числі інших теорем про сингулярності Р. Пенроузом і С. Хокінгом в кінці 1960-х років. Її існування є одним із стимулів побудови альтернативних і квантових теорій гравітації, які намагаються вирішити цю проблему.


3. Подальша еволюція Всесвіту

Відповідно до теорії Великого вибуху, подальша еволюція залежить від експериментально вимірного параметра - середньої густини речовини в сучасному Всесвіті. Якщо щільність не перевершує деякого (відомого з теорії) критичного значення, Всесвіт буде розширюватися вічно, якщо ж щільність більше критичної, то процес розширення коли-небудь зупиниться і почнеться зворотна фаза стиску, що повертає до вихідного сингулярного стану. Сучасні експериментальні дані щодо величини середньої щільності ще недостатньо надійні, щоб зробити однозначний вибір між двома варіантами майбутнього Всесвіту.

Є ряд питань, на які теорія Великого вибуху відповісти поки не може, проте основні її положення обгрунтовані надійними експериментальними даними, а сучасний рівень теоретичної фізики дозволяє цілком достовірно описати еволюцію такої системи в часі, за винятком самого початкового етапу - близько сотої частки секунди від "початку світу". Для теорії важливо, що ця невизначеність на початковому етапі фактично виявляється несуттєвою, оскільки утворюється після проходження даного етапу стан Всесвіту і його подальшу еволюцію можна описати цілком вірогідно.


4. Історія відкриття Великого вибуху

  • 1916 - вийшла у світ робота фізика Альберта Ейнштейна "Основи загальної теорії відносності", в якій він завершив створення релятивістської теорії гравітації [2].
  • 1917 - Ейнштейн на основі своїх рівнянь поля розвинув уявлення про простір з постійною в часі і просторі кривизною (модель Всесвіту Ейнштейна, що знаменує зародження космології), ввів космологічну сталу Λ. (Згодом Ейнштейн назвав введення космологічної постійної однією з найбільших своїх помилок; вже в наш час з'ясувалося, що Λ-член грає найважливішу роль в еволюції Всесвіту). В. де Сіттер висунув космологічну модель Всесвіту (модель де Ситтера) в роботі "Про ейнштейнівської теорії гравітації і її астрономічних наслідки".
  • 1922 - радянський математик і геофізик А. А. Фрідман знайшов нестаціонарні рішення гравітаційного рівняння Ейнштейна і передбачив розширення Всесвіту (нестаціонарна космологічна модель, відома як рішення Фрідмана). Якщо екстраполювати цю ситуацію в минуле, то доведеться зробити висновок, що на самому початку вся матерія Всесвіту була зосереджена в компактній області, з якої і розпочала свій розліт. Оскільки у Всесвіті дуже часто відбуваються процеси вибухового характеру, то у Фрідмана виникло припущення, що і на самому початку її розвитку також лежить вибуховий процес - Великий вибух.
  • 1923 - німецький математик Г. Вейль зазначив, що якщо в модель де Ситтера, яка відповідала порожнього Всесвіту, помістити речовина, вона повинна розширюватися. Про нестатічності Всесвіту де Ситтера говорилося і в книзі А. Еддінгтона, опублікованій в тому ж році.
  • 1924 - К. Вірц виявив слабку кореляцію між кутовими діаметрами і швидкостями видалення галактик і припустив, що вона може бути пов'язана з космологічної моделлю де Ситтера, згідно з якою швидкість видалення віддалених об'єктів повинна зростати з їх відстанню .
  • 1925 - К. Е. Лундмарк і потім Штремберг, повторили роботу Вірца, не отримали переконливих результатів, а Штремберг навіть заявив, що "не існує залежності променевих швидкостей від відстані від Сонця". Однак було лише ясно, що ні діаметр, ні блиск галактик не можуть вважатися надійними критеріями їх відстані. Про розширення непорожній Всесвіту говорилося і в першій космологічної роботі бельгійського теоретика Жоржа Леметра, опублікованій в цьому ж році.
  • 1927 - опублікована стаття Леметра "Однорідна Всесвіт постійної маси і зростаючого радіусу, що пояснює радіальні швидкості позагалактичних туманностей". Коефіцієнт пропорційності між швидкістю і відстанню, отриманий Леметр, був близький до знайденого Е. Хабблом в 1929. Леметр був першим, хто чітко заявив, що об'єкти, які населяють розширюється Всесвіт, розподіл і швидкості руху яких і повинні бути предметом космології - це не зірки, а гігантські зоряні системи, галактики. Леметр спирався на результати Хаббла, з якими він познайомився, будучи в США в 1926 на його доповіді.
  • 1929 - 17 січня в Праці Національної академії наук США надійшли статті Хьюмасона про променевої швидкості NGC 7619 і Хаббла, що називалася "Зв'язок між відстанню і променевої швидкістю позагалактичних туманностей". Зіставлення цих відстаней з променевими швидкостями показало чітку лінійну залежність швидкості від відстані, по праву називають тепер законом Хаббла.
  • 1948 - виходить робота Г. А. Гамова про "гарячої всесвіту", побудована на теорії розширюється всесвіту Фрідмана. За Фрідману, спочатку був вибух. Він стався одночасно і всюди у Всесвіті, заповнивши простір дуже щільним речовиною, з якого через мільярди років утворилися спостережувані тіла Всесвіту - Сонце, зірки, галактики і планети, у тому числі Земля і все що на ній. Гамов додав до цього, що первинна речовина світу було не тільки дуже щільним, але і дуже гарячим. Ідея Гамова полягала в тому, що в гарячому і щільному речовині ранньому Всесвіті відбувалися ядерні реакції, і в цьому ядерному котлі за кілька хвилин були синтезовані легкі хімічні елементи. Найбільш ефектним результатом цієї теорії стало передбачення космічного фону випромінювання. Електромагнітне випромінювання повинно було, за законами термодинаміки, існувати разом з гарячим речовиною в "гарячу" епоху раннього Всесвіту. Воно не зникає при загальному розширенні світу і зберігається - тільки сильно охолодженим - і до цих пір. Гамов і його співробітники змогли орієнтовно оцінити, яка повинна бути сьогоднішня температура цього залишкового випромінювання. У них виходило, що це дуже низька температура, близька до абсолютного нуля. З урахуванням можливих невизначеностей, неминучих при дуже ненадійних астрономічних даних про загальні параметри Всесвіту як цілого і мізерних відомостях про ядерні константах, передбачена температура повинна лежати в межах від 1 до 10 До. В 1950 в однієї науково-популярної статті (Physics Today, № 8, стор 76) Гамов оголосив, що швидше за все температура космічного випромінювання становить приблизно 3 К.
  • 1955 - Радянський радіоастроном Тигран Шмаонов експериментально виявив шумове СВЧ випромінювання з температурою близько 3K [3].
  • 1964 - американські радіоастрономи А. Пензіас і Р. Вілсон відкрили космічний фон випромінювання і виміряли його температуру. Oна виявилася рівною саме 3 К. Це було найбільше відкриття в космології з часів відкриття Хабблом в 1929 році загального розширення Всесвіту. Теорія Гамова була повністю підтверджена. В даний час це випромінювання носить назву реліктового; термін ввів радянський астрофізик І. С. Шкловський.
  • 2003 - супутник WMAP з високим ступенем точності вимірює анізотропію реліктового випромінювання. Разом з даними попередніх вимірювань ( COBE, Космічний телескоп Хаббла та ін), отримана інформація підтвердила космологічну модель ΛCDM і інфляційну теорію. З високою точністю був встановлений вік Всесвіту і розподіл по масах різних видів матерії ( баріонів матерія - 4%, темна матерія - 23%, темна енергія - 73%).
  • 2009 - запущено супутник Планк, який в даний час вимірює анізотропію реліктового випромінювання з ще більш високою точністю.

4.1. Історія терміна

Спочатку теорія Великого вибуху називалася "динамічної еволюціонує моделлю". Вперше термін "Великий вибух" застосував Фред Хойл в своїй лекції в 1949 (сам Хойл дотримувався гіпотези "безперервного народження" матерії при розширенні Всесвіту). Він сказав:

"Ця теорія заснована на припущенні, що Всесвіт виник в процесі одного-єдиного потужного вибуху і тому існує лише кінцеве час ... Ця ідея Великого вибуху здається мені абсолютно незадовільною".

На російська мова Big Bang можна було б перекласти як "Великий хлопок", що, ймовірно, точніше відповідає принизливому сенсі, який хотів вкласти в нього Хойл. Після того, як його лекції були опубліковані, термін став широко вживатися.


5. Критика теорії Великого вибуху

Існувала також точка зору, що Всесвіт стаціонарна, тобто не еволюціонує, і не має ні початку, ні кінця в часі. Частина прихильників такої точки зору відкидають розширення Всесвіту, а червоне зміщення пояснюють гіпотезою про "старінні" світла. Однак, як з'ясувалося, ця гіпотеза суперечить спостереженнями, наприклад, спостерігається залежності тривалості спалахів наднових від відстані до них. Інший варіант, не заперечує розширення Всесвіту, представлений теорією стаціонарного Всесвіту Ф. Хойла.

У деяких теоріях інфляції (наприклад, вічної інфляції) наша спостережувана картина Великого Вибуху відповідає положенню лише в спостережуваної нами частини Всесвіту (Метагалактика), але не вичерпує весь Всесвіт.

Крім того, в теорії Великого вибуху не розглядається питання про причини виникнення сингулярності, або матерії та енергії для її виникнення, зазвичай просто постулюється її Безначальний. Вважається, що відповідь на питання про існування і походження початковій сингулярності дасть теорія квантової гравітації.

Є також деяке число спостережних фактів, погано узгоджуються з ізотропності і однорідністю спостережуваного Всесвіту: наявність переважного напрямку обертання галактик [4] [5], неоднорідності в розподілі галактик на найбільших доступних масштабах, вісь зла.


Примітки

  1. How Old is the Universe? - map.gsfc.nasa.gov / universe / uni_age.html (Англ.) . НАСА (19 липня 2010 року). Фотогалерея - www.webcitation.org/6190rESvo з першоджерела 23 серпня 2011.
  2. Einstein, Albert Die Grundlage Der allgemeinen Relativittstheorie - www.physik.uni-augsburg.de/annalen/history/einstein-papers/1916_49_769-822.pdf (Нім.) / / Annalen der Physik. - 1916. - № 7. - P. 769-822. - ISSN 1521-3889 -
  3. Cosmic Microwave Background Timeline - aether.lbl.gov / www / science / CMBTimeLine.html Національна лабораторія ім.Лоуренса в Берклі
  4. http://www.membrana.ru/particle/16397 - www.membrana.ru/particle/16397
  5. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269311003947 - www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269311003947

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Вибух
Кембрійський вибух
Ядерний вибух
Інформаційний вибух
Вибух в Галіфаксі
Демографічний вибух
Вибух котла
Демографічний вибух
Вибух на Котляковському цвинтарі
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru