Походження всесвіту Великий вибух

Курсова робота з предмету «Теоретичні основи прогресивних технологій»

Виконала: Білозерська Лариса Мірзоджоновна, Курс I

Московський державний відкритий університет, філія

м. Сафоново 2005

1. Введення.

Космологія - це фізичне вчення про Всесвіт, що включає в себе теорію всього охопленого астрономічними спостереженнями світу як частини Всесвіту.

Найбільшим досягненням сучасної космології стала модель Всесвіту, що розширюється, названа теорією Великого вибуху.

Відповідно до цієї теорії, все бачимо простір розширюється. Але що ж було на самому початку? Вся речовина в Космосі якийсь початковий момент було здавлене буквально в ніщо - спресований в одну-єдину точку. Воно мало фантастично величезну щільність - її практично неможливо собі уявити, вона виражається числом, у якому після одиниці коштують 96 нулів, - і настільки ж неймовірно високу температуру. Астрономи назвали такий стан сингулярність.

У силу якихось причин це дивовижне рівновагу було раптово зруйновано дією гравітаційних сил - важко навіть уявити, якими вони повинні були бути при нескінченно величезної щільності "первовещества"!

Цьому моменту вчені дали назву "Великий вибух". Всесвіт почала розширюватися й охолоджуватися.

Слід зазначити, що питання про те, яким же було народження Всесвіту - "гарячим" або "холодним", - не відразу було вирішено однозначно і займав уми астрономів довгий час. Інтерес до проблеми був далеко не зайвим - адже від фізичного стану речовини в початковий момент залежить, наприклад, вік Всесвіту. Крім того, при високих температурах можуть протікати термоядерні реакції. Отже, хімічний склад "гарячої" Всесвіту повинен відрізнятися від складу "холодної". А від цього в свою чергу залежать розміри і темпи розвитку небесних тіл ...

Протягом кількох десятиліть обидві версії - "гарячого" і "холодного" народження Всесвіту - існували в космології на рівних, маючи і прихильників, і критиків. Справа залишалася "за малим" - слід було підтвердити їх спостереженнями.

2. Реліктове випромінювання.

Сучасна астрономія на питання про те, чи є докази гіпотези гарячого Всесвіту і Великого вибуху, може дати ствердну відповідь. У 1965 р. було зроблено відкриття, яке, як вважають вчені, прямо підтверджує те, що в минулому речовина Всесвіту було дуже щільним і гарячим. Виявилося, що в космічному просторі зустрічаються електромагнітні хвилі, які народилися в ту далеку епоху, коли не було ще ні зірок, ні галактик, ні нашої Сонячної системи.

Можливість існування такого випромінювання була передбачена астрономами набагато раніше. У середині 1940рр. американський фізик Джордж Гамов (1904-1968) зайнявся проблемами виникнення Всесвіту і походження хімічних елементів. Розрахунки, виконані Гамовим і його учнями, дозволили уявити, що у Всесвіту в перші секунди її існування була дуже висока температура. Нагріте речовина "світилося" - випускає електромагнітні хвилі. Гамов припустив, що вони повинні спостерігатися і в сучасну епоху у вигляді слабеньких радіохвиль, і навіть передбачив температуру цього випромінювання - приблизно 5-6 К.

У 1965 р. американські вчені радіоінженери Арно Пензіас та Роберт Вілсон зареєстрували космічне випромінювання, яке не можна було приписати жодному відомому тоді космічному джерела. Астрономи прийшли до висновку, що це випромінювання, що має температуру близько 3 К, - релікт (від лат. "Залишок", звідси і назва випромінювання - "реліктове") тих далеких часів, коли Всесвіт був фантастично гаряча. Тепер астрономи змогли зробити вибір на користь "гарячого" народження Всесвіту. А. Пензіас і Р. Вільсон, отримали в 1978 р. Нобелівську Премію за відкриття космічного мікрохвильового фону (такого офіційна назва реліктового випромінювання) на хвилі 7,35 см.

3. Сценарій далекого минулого.

Великим вибухом називається явище виникнення Всесвіту. У рамках цієї концепції покладається, що початковим станом Всесвіту була точка, звана точкою сингулярності, в якій були зосереджені всі речовина і енергія. Вона характеризувалася нескінченно великою щільністю матерії. Конкретні властивості точки сингулярності невідомі, як невідомо і те, що передувало станом сингулярності.

Приблизна хронологія подій, що сталися з нульового моменту часу - початку розширення, представлена ​​нижче:

Щодо умов та подій, що відбувалися до настання моменту 5.10 -44 секунди - закінчення першого кванта часу - ніяких достовірних відомостей немає. Про фізичні параметрах тієї ери можна лише сказати, що тоді температура була 1,3 · 1032 К, а щільність матерії близько 1096 кг/м3. Наведені значення є граничними для застосування існуючих теорій. Вони випливають з співвідношень швидкості світла, гравітаційної постійної, постійних Планка і Больцмана і називаються "планківські".

Події періоду з 5.10 -44 по 10-36 секунди відображає модель "інфляційного Всесвіту", опис, якій важко і не може бути дано в рамках цього викладу. Однак слід зазначити, що відповідно до цієї моделі розширення Всесвіту відбувалося без зменшення об'ємної концентрації енергії і при негативному тиску первинної суміші речовини та енергії, тобто, як би, відштовхуванні матеріальних об'єктів один від одного, що викликала розширення Всесвіту, що продовжується і понині.

Далі, починаючи з моменту 10-36 секунди від початку вибуху, події описуються в рамках моделі "гарячого Всесвіту".

Для розуміння процесів, що відбувалися в період 10-36-10-4 секунд з початку вибуху, потрібне глибоке знання фізики елементарних частинок. У цей період електромагнітне випромінювання і елементарні частинки - різні види мезонів, гіперонів, протони і антипротони, нейтрони і Антинейтрон, нейтрино і антинейтрино і т.п. існували в рівновазі, тобто їх об'ємні концентрації були рівні. Дуже важливу роль в цей час грали спочатку поля сильних, а потім слабких взаємодій.

У період 10-4 - 10-3 секунди відбувалося формування всієї множини елементарних частинок, які, перетворюючись одні в інші, і становлять нині весь Всесвіт. Відбулася анігіляція переважної більшості елементарних частинок і античастинок, що існували раніше. Саме в цей період з'явилася баріонна асиметрія, яка виявилася наслідком дуже малого, всього на одну мільярдну частку, перевищення кількості баріонів над антібаріонамі. Воно виникло, судячи з усього, відразу після ери інфляційного розширення Всесвіту. При температурі 1011 градусів щільність Всесвіту вже знизилася до величини, характерної для атомних ядер, У цей період зменшення температури вдвічі відбувалося за тисячні частки секунди. В цей же час народилося існуюче і нині реліктове нейтринне випромінювання. Однак, незважаючи на його значну щільність, що становить не менш ніж 400 штук/см3, і можливість отримати з його допомогою найважливішу інформацію про той період формування Всесвіту, його реєстрація поки не реалізована.

У період з 10-3 по 10-120 секунд у результаті термоядерних реакцій утворилися ядра гелію і дуже мала кількість ядер деяких інших легких хімічних елементів, а значна частина протонів - ядер водню - об'єднанню в атомні ядра не піддалася. Всі вони залишилися зануреними в "океан" вільних електронів і фотонів електромагнітного випромінювання. З цього моменту в первинному газі встановилося співвідношення: 75 - 78% водню і 25-22% гелію - за масами цих газів.

У період між 300 тисячами і 1 мільйоном років температура Всесвіту знизилася до 3000 - 45000 К і настала ера рекомбінації. Вільні перш електрони об'єдналися з легкими атомними ядрами і протонами. Утворилися атоми водню, гелію і деяку кількість атомів літію. Речовина стало прозорим і реліктове випромінювання, що спостерігається до цих пір, "відокремилося" від нього. Всі спостережувані нині особливості реліктового випромінювання, наприклад, флуктуації температури його потоків приходять від різних ділянок на небесній сфері або їх поляризація відображають картину властивостей і розподілу речовини в той час.

Протягом наступного - першого мільярда років існування Всесвіту її температура знизилася від 3000 - 45000 К до 300 К. У зв'язку з тим, що до цього періоду часу у Всесвіті ще не утворилося джерел електромагнітного випромінювання - зірок, квазарів і т.п., а реліктове випромінювання вже охололо, цю епоху називають "Темним віком" Всесвіту.

Тоді ж неоднорідності щільності суміші первинних газів, що виникли, ймовірно, ще на етапі "інфляційного розширення" Всесвіту, ущільнювалися під дією гравітаційних сил. Комп'ютерне моделювання цих процесів показує, що це повинно було приводити до утворення гігантських зірок з масами в мільйони мас Сонця. Унаслідок таких величезних мас, ці зірки розігрівалися до дуже високих температур і тому проходили весь свій шлях еволюції протягом кількох десятків мільйонів років, а потім вибухали як наднові.

Нагріті до величезних температур поверхонь цих зірок породжували потужні потоки ультрафіолетового випромінювання, які справили повторну іонізацію атомів знаходяться у вільному від зірок космічному просторі. Настала, так звана, епоха переіонізація. Новоутворена плазма сильно розсіювала електромагнітне випромінювання в його короткохвильових спектральних діапазонах. Всесвіт, як би занурилася в густий туман. Тільки для довгохвильового реліктового випромінювання ця середовище виявилося прозорою.

Ці гігантські зірки послужили першими у Всесвіті джерелами більш важких, ніж літій хімічних елементів. Слідом за тим з'явилася можливість формування космічних об'єктів другого покоління, що містять ядра цих атомів. Зірки другого покоління почали формуватися з суміші важких атомів, а також атомів первинних водню і гелію. Вони і зірки наступних поколінь вже не були настільки масивними і гарячими, як зірки першого покоління, тому потоки ультрафіолетового іонізуючого випромінювання від них були значно менше. Відбулася повторна рекомбінація більшості атомів міжзоряного і міжгалактичного газів і простір знову стало, в основному, прозорим для електромагнітного випромінювання у всіх його спектральних діапазонах. Картина Всесвіту стала, практично такою, якою ми її спостерігаємо сьогодні.

Отже, в результаті Великого вибуху 13-20 млрд. років тому почав діяти унікальний прискорювач частинок, в ході роботи якого безперервно і стрімко змінювали один одного процеси народження і загибелі (анігіляції) різноманітних частинок.

4. Великий Вибух.

Попередня всесвіт перед вибухом складалася з невеликої кількості майже повністю вигорілих галактик. Основним елементом у цих галактиках було залізо. Всесвіт висвітлювали тільки жовті та червоні зірки, але горіли вони значно яскравіше, ніж сейчас.Еслі у всесвіті і існувало життя, то вона була зосереджена навколо цих зірок і була приречена на загибель. У центрі всесвіту знаходилася "ЧОРНА ДІРА", в яку і падали всі ці галактики. А в центрі "Чорні діри" знаходилася гігантська зірка, розмірами перевершує найбільшу галактику. Ця зірка під дією гравітації стискалася, і спочатку кванти енергії почали входити один в одного, створюючи єдиний квант енергії, що має позитивний заряд. При подальшому стисненні почався миттєвий перехід вакууму в енергію. Варто більш докладно зупинитися на природі вакууму. Розпадатися можуть не тільки елементарні частинки, але і сам квант. При цьому утворюються кванти з дробовим зарядом. Кванти енергії, що мають дробовий заряд, менше одиниці, не можуть мати полів. З цих квантів енергії, які не мають полів, і ніщо-порожнечі і складається вакуум. Ці неповноцінні кванти називаються "Снарк". Для того щоб декілька Снарк перетворилися на повноцінний квант, необхідно, щоб вони увійшли один в одного. Для цього треба величезний тиск. Такий тиск і створила первинна зірка.

Як тільки тиск досягло критичного рівня, весь вакуум всередині первинного тіла миттєво перетворився на енергію. Всі поля є енергіями, а енергії виникають в результаті взаємодії двох об'єктів, що мають різний енергетичний рівень. Якщо одного зі складових немає, то й створення енергії, а значить і полів, неможливо. Вакуум, який грав роль об'єкта, який має низький енергетичний рівень, перетворився на енергію, і кванту стало не з чим взаємодіяти, для створення полів. Гравітаційне поле миттєво зменшилася, і зірка вийшла з колапсу. Стиснення ядра гігантської зірки зменшилася, і вона скинула зовнішню оболонку. Стався ефект стислої пружини, яка, при зменшенні стиснення, розпрямляється. Кванти подібної енергетичної щільності в природі існувати не можуть. Для зменшення своєї енергетичної щільності він повинен був збільшити довжину хвилі, а, значить, збільшуватися в об'ємі. При взаємодії протокванта і зовнішнього вакууму, утворилося гігантське електричне поле. Саме з цього електричного поля і вакууму і стали утворюватися протони. Енергію електричного поля підтримував протоквант, втрачаючи енергію на його підтримку. Цей суперфотон збільшувався в обсязі зі швидкістю світла, і протони виявлялися усередині цього кванта, так як рухатися зі "швидкістю світла" протони не могли. Це заборонено теорією відносності. Будь-яка елементарна частинка складається з кванта енергії і вакууму. Щільність вакууму всередині елементарної значно вище, ніж в навколишньому просторі. Кількість вакууму в природі обмежена, а тому що на створення речовини витрачалося велика кількість вакууму, це призвело до різкого зменшення всесвіту. Всесвіт стала стискатися.

Стиснення всесвіту відбувалося так швидко, що речовина зовнішньої оболонки зірки, виявилося перемішаним з новоствореним речовиною. Кожна нова всесвіт успадковує частину речовини від старої всесвіту. Коли енергія протокванта була витрачена на створення протонів, нічим стало підтримувати енергію електричного поля, і електричне поле повинне було почати зменшуватися. Електричне поле прагне будь-якою ціною зберегти свій потенціал, навіть ціною зміни свого заряду, на протилежний. На спаді потенціалу, з енергії поля, стали створюватися електрони. Коли енергетична щільність поля, стала не достатня для створення електронів, воно розбилося на фотони, і по периметру вибуху утворилася гігантська спалах, що складається з фотонів. Фотони, продовжуючи рухатися в тому ж напрямку, пройшли через другий центр, (наш всесвіт відноситься до двухцентовим об'єктах) і штовхнули зовнішні електрони в центр всесвіту. З центру всесвіту рухалися протони і деяку кількість речовини від попередньої всесвіту, а назустріч їм електрони, які отримали момент імпульсу від фотонів, і утворилося два зустрічних потоку. Утворилися гігантські вихори аналогічні земним циклонів.

Циклони не просто зовні нагадують спіральні галактики, у них і природа однакова. У центрі такого вихору висока щільність речовини, а от момент імпульсу дорівнює нулю. На периферії навпаки щільність речовини низька, а момент імпульсу великий. У результаті взаємодії електронного і протонного потоку утворилася велика кількість спіральних галактик. Оскільки в центрі галактики речовина не мало моменту імпульсу, то протони відразу ж зібралися в гігантські зірки, і відразу почалися термоядерні реакції. Великий Вибух був не таким ефектним, як вважають фізики, але дуже ефективним. Велика частина енергії перетворилася в речовину. Фактично вибуху, як такого, і не було. Було перетворення енергії в речовину по всьому об'єму всесвіту. Доказом цього є те, що наш всесвіт однорідна і изотропна. Це означає, що в будь-якій сфері, з діаметром ~ рівним 300 світлових років, кількість галактик приблизно однаково. Однорідність і изотропность всесвіту, прийнято називати космологічний принцип. Під час вибуху, який запропонований фізиками, такого ефекту бути не може. Це можливо тільки у випадку, коли речовина рівномірно виникло у всьому обсязі всесвіту.

При термоядерної реакції виділяється не тільки енергія, але і вакуум. Відстань між пунктом "А" і "Б" залежить від кількості вакууму знаходиться між ними. Чим активніше відбувалися термоядерні процеси в галактиці, тим більше викидалося вакууму, і тим швидше вона віддалялася від інших галактик. Всесвіт почала розширюватися. Всесвіт розширювалася не за рахунок енергії первинного вибуху, а завдяки термоядерним реакцій зірок. Як зберігали галактики свою структуру можна знайти у статті "Геометрія галактик". Вакуум, що звільнився після термоядерних реакцій, поступово залишає межі метагалактики, але поки термоядерна активність зірочок велика, і кількість вакууму, випромінюване зірками більше, ніж яка покидає метагалактику, вона буде розширюватися.

Як тільки термоядерна активність галактик зменшиться, всесвіт продовжить збільшуватися, а ось метагалактика почне зменшуватися. Це станеться тоді, коли кількість вакууму, яка покидає метагалактику, буде більше, ніж отримується при термояду. Галактики почнуть рух до спільного центру, цикл замкнеться, і все повториться спочатку.

Ми з'ясували, що Всесвіт постійно розширюється; той момент з якого Всесвіт початку розширяться, прийнято вважати її початком. Його називають "Великим Вибухом" або англійським терміном Big Bang.

Під розширенням Всесвіту мається на увазі такий процес, коли теж саме кількість елементарних частинок і фотонів займають постійно зростаючий обсяг.

Коротко викладемо всі ті умовиводи про можливі параметри Всесвіту на стадії Великого Вибуху, до яких ми прийшли.

Середня щільність Всесвіту в результаті розширення поступово знижується. З цього випливає, що в минулому щільність Всесвіту була більше, ніж в даний час. Можна припустити, що в далекій давнині (приблизно десять мільярдів років тому) щільність Всесвіту була дуже великою.

Крім того високої повинна була бути і температура, настільки високою, що щільність випромінювання перевищувала щільність речовини. Інакше кажучи енергія всіх фотонів містяться в 1 куб. см була більше суми загальної енергії частинок, що містяться в 1 куб. см. На самому ранньому етапі, в перші миті "Великого Вибуху" вся матерія була сильно розпеченій і густий сумішшю частинок, античастинок і високоенергічних гамма-фотонів. Частинки при зіткненні з відповідними античастинками анігілювали, але виникаючі гамма-фотони моментально матеріалізувалися в частинки й античастинки.

Докладний аналіз показує, що температура речовини Т знижувалася в часі відповідно з простим співвідношенням формула (1):

(1)

Залежність температури Т від часу t дає нам можливість визначити, що наприклад, в момент, коли вік Всесвіту обчислювався всього однієї десятитисячної секунди, її температура представляла одна більйон Кельвінів.

5. Еволюція речовини

Температура розпеченій щільною матерії на початковому етапі Всесвіту з часом знижувалася, що і відображається у співвідношенні. Це означає, що знижувалася середня кінетична енергія частинок kT. Згідно співвідношенню h   kT знижувалася і енергія фотонів. Це можливо лише в тому випадку, якщо зменшиться їх частота     Зниження енергії фотонів у часі мало для виникнення частинок і античастинок шляхом матеріалізації важливі наслідки. Для того щоб фотон перетворився  (матеріалізувався) в частку і античастинку з масою mo і енергією спокою moc    йому необхідно володіти енергією 2 moc   або більшої формула (2).

(2)

З часом енергія фотонів знижувалася, і як тільки вона впала нижче твори енергії частинки і античастинки (2moc ), фотони вже не здатні були забезпечити виникнення частинок і античастинок з масою mo. Так, наприклад, фотон, що володіє енергією меншою, ніж 2 * 938 Мев, не здатний матеріалізуватися в протон і антипротон, тому що енергія спокою протона дорівнює 938 МеВ.

У попередньому співвідношенні можна замінити енергію фотонів h  кінетичної енергією частинок kT формула (3)

(3)

тобто

(4)

Знак нерівності формула (4) означає наступне: частинки і відповідні їм античастинки виникали при матеріалізації в розпеченому речовині до тих пір, поки температура речовини T не впала нижче вказаного значення.

На початковому етапі розширення Всесвіту з фотонів народжувалися частинки й античастинки. Цей процес постійно слабшав, що призвело до вимирання частинок і античастинок. Оскільки анігіляція може відбуватися при будь-якій температурі, постійно здійснюється процес

частка + античастинка      гамма-фотона

за умови дотику речовини з антиречовиною. Процес матеріалізації

гамма-фотон   частка + античастинка

міг протікати лише за досить високої температурі. Згідно з тим, як матеріалізація в результаті знижується температури розпеченого речовини призупинилася,

еволюцію Всесвіту прийнято розділяти на чотири ери: адронний, лептонів, фотонну і зоряну.

5.1. Адронний ера.   

Тривала приблизно від t = 10-6с до t = 10-4с. Щільність порядку 1017 кг/м3 при T = 1012 ... 1013К.

При дуже високих температурах і щільності на самому початку існування Всесвіту матерія складалася з елементарних частинок. Речовина на самому ранньому етапі полягала насамперед з адронів, і тому рання ера еволюції Всесвіту називається адронний, незважаючи на те, що в той час існували і лептони.

Через мільйонну частку секунди з моменту народження Всесвіту, температура T впала на 10 більйонів Кельвінів (10   K . Середня кінетична енергія частинок kT і фотонів h  становила близько мільярда ев (10   Мев    що відповідає енергії спокою баріонів.

У першу мільйонну частку секунди еволюції Всесвіту відбувалася матеріалізація всіх баріонів необмежено, так само, як і анігіляція. Але після цього часу матеріалізація баріонів припинилася, оскільки при температурі нижче 10    K фотони не мали вже достатньою енергією для її здійснення. Процес анігіляції баріонів і антібаріонов тривав до тих пір, поки тиск випромінювання не відокремив речовина від антиречовини. Нестабільні гіперонів (найважчі з баріонів) у процесі самовільного розпаду перетворилися на найлегші з баріонів (протони і нейтрони). Так у всесвіті зникла найбільша група баріонів - гіперонів. Нейтрони могли далі розпадатися в протони, які далі не розпадалися, інакше б порушився закон збереження баріонного заряду. Розпад гіперонів відбувався на етапі з 10   до 10   секунди.

До моменту, коли вік Всесвіту досяг однієї десятитисячної секунди (10   с), температура її знизилася до 10    K, а енергія частинок і фотонів представляла лише 100 Мев. Її не вистачало вже для виникнення найлегших адронів - півонії. Півонії, що існували раніше, розпадалися, а нові не могли виникнути. Це означає, що до того моменту, коли вік Всесвіту досяг 10   с, в ній зникли всі мезони.

На цьому і закінчується адронний ера, тому що півонії є не тільки найлегшими мезонами, а й легенькими адронами. Ніколи після цього сильне взаємодія (ядерна сила) не проявлялася під Всесвіту такою мірою, як у адронний еру, що тривала всього лише одну десятитисячну частку секунди.

5.2. Лептонна ера.

Тривала приблизно від t = 10-4с до t = 101с. До кінця ери щільність порядку 107 кг/м3 при T = 109К.

Коли енергія частинок і фотонів знизилася в межах від 100 МеВ до 1 МеВ в речовині було багато лептонів. Температура була досить високою, щоб забезпечити інтенсивне виникнення електронів, позитронів і нейтрино. Ядерна фізика (протони і нейтрони), які пережили адронний еру, сталі в порівнянні з лептона і фотонами зустрічатися набагато рідше.

Лептонна ера починається з розпаду останніх адронів - півоній - в мюони і мюонне нейтрино, а закінчується через кілька секунд при температурі 10    K, коли енергія фотонів зменшилася до 1 Мев і матеріалізація електронів і позитронів припинилася. Під час цього етапу починається незалежне існування електронного і мюонного нейтрино, які ми називаємо "реліктовими".

Весь простір Всесвіту наповнилося величезною кількістю реліктових електронних і мюони нейтрино. Виникає нейтринне море.

5.3. Фотонна ера або ера випромінювання.

Тривала приблизно від t = 10-6с до t = 10-4с. Щільність порядку 1017 кг/м3 при T = 1012 ... 1013К.

На зміну лептонний ери прийшла ера випромінювання, як тільки температура Всесвіту знизилася до 10    K, а енергія гамма фотонів досягла 1 Мев, відбулася лише анігіляція електронів і позитронів. Нові електронно-позитронні пари не могли виникати внаслідок матеріалізації, тому, що фотони не мали достатньої енергією. Але анігіляція електронів і позитронів тривала далі, поки тиск випромінювання не повністю відокремив речовина від антиречовини.

З часу адронів і лептонний ери Всесвіт була заповнена фотонами. До кінця лептонний ери фотонів було в два мільярди разів більше, ніж протонів і електронів. Найважливішою складовою Всесвіту після лептонний ери стають фотони, причому не тільки за кількістю, але і по енергії.

Для того щоб можна було порівнювати роль частинок і фотонів у Всесвіті, була введена величина щільності енергії. Ця кількість енергії в 1 куб.см, точніше, середня кількість (виходячи з передумови, що речовина у Всесвіті розподілено рівномірно). Якщо скласти докупи енергію h   всіх фотонів, присутніх в 1 куб.см, то ми отримаємо щільність енергії випромінювання Er. Сума енергії спокою всіх частинок в 1 куб.см є середньою енергією речовини Em у Всесвіті.

Внаслідок розширення Всесвіту знижувалася щільність енергії фотонів і частинок. Зі збільшенням відстані у Всесвіті в два рази, обсяг збільшився у вісім разів. Іншими словами, щільність частинок і фотонів знизилася в вісім разів. Але фотони у процесі розширення поводяться інакше, ніж частки. У той час як енергія спокою під час розширення Всесвіту не змінюється, енергія фотонів при розширенні зменшується. Фотони знижують свою частоту коливання, немов "втомлюються" згодом. Внаслідок цього щільність енергії фотонів (Er) падає швидше, ніж щільність енергії частинок (Em).

Переважання у всесвіті фотонної складовою над складовою частинок (мається на увазі щільність енергії) протягом ери випромінювання зменшувалася до тих пір, поки не зникла повністю. До цього моменту обидві складові прийшли в рівновагу (тобто Er = Em). Закінчується ера випромінювання та разом з цим період "Великого Вибуху". Так виглядала Всесвіт у віці приблизно 300 000 років. Відстані в той період були в тисячу разів коротше, ніж в даний час.

"Великий вибух" тривав порівняно недовго, всього лише одну тридцятитисячний нинішнього віку Всесвіту. Незважаючи на стислість терміну, це все ж таки була сама славна ера Всесвіту. Ніколи після цього еволюція Всесвіту була настільки стрімка, як в самому її початку, під час "великого вибуху". Всі події у Всесвіті в той період стосувалися вільних елементарних частинок, їх перетворень, народження, розпаду, анігіляції.

Не слід забувати, що в такий короткий час (всього лише кілька секунд) з багатого розмаїття видів елементарних частинок зникли майже всі: одні шляхом анігіляції (перетворення на гамма-фотони), інші шляхом розпаду на найлегші баріони (протони) і на найлегші заряджені лептони (електрони).

5.4. Зоряна ера.

Після "Великого Вибуху" настала тривала ера речовини, епоха переважання частинок. Ми називаємо її зоряної ерою. Вона триває з часу завершення "Великого Вибуху" (приблизно 300 000 років) до наших днів. У порівнянні з періодом "Великого Вибуху" її розвиток представляється начебто занадто уповільненим. Це відбувається через низьку щільності і температури.

Таким чином, еволюцію Всесвіту можна порівняти з феєрверком, який закінчився. Залишилися палаючі іскри, попіл і дим. Ми стоїмо на остиглому попелі, вдивляємося в старіючі зірки й згадуємо красу та блиск Всесвіту. Вибух супернових або гігантський вибух галактики - незначні явища в порівнянні з великим вибухом.

6. Критика сучасної теорії "Великого Вибуху".

За сучасними уявленнями, яку ми спостерігаємо зараз Всесвіт виник близько 15 мільярдів років тому з деякого початкового "сингулярного" стану з нескінченно великими температурою і щільністю і з тих пір безперервно розширюється і охолоджується.

Цей всесвіт є реально існуючим об'єктом, а не філософським поняттям, і не може бути створена з об'єкту, що знаходиться в сингулярному стані. Це суперечить здоровому глузду. Об'єкт може стискатися в бік нескінченності, але як тільки стиск закінчиться, у будь-якого об'єкта будуть реально існуючі параметри.

Таке поняття, як температура, взагалі неприйнятно до такого об'єкта. Адже ми не вважаємо елементарні частинки гарячими, якщо вони не розігнані до високих швидкостей. А елементарні частинки мають більш високу енергію, ніж фотони. Температура - це броунівський рух молекул. Цих самих молекул у даного об'єкта і не було.

Відповідно до цієї теорії Великого Вибуху, подальша еволюція залежить від вимірюваного експериментально параметра r - середньої густини речовини в сучасному Всесвіті. Якщо r менше деякого (відомого з теорії) критичного значення rc, Всесвіт буде розширятися вічно, якщо ж r> rc, то процес розширення коли-небудь зупиниться і почнеться зворотній фаза стиску, що повертає до вихідного сингулярного стану.

Якщо і зараз Всесвіт розширюється, а значить щільність матерії недостатня для створення такого потужного гравітаційного поля, яке змусило б наш всесвіт стискуватися, то в майбутньому щільність матерії стане ще менше, а, відповідно зменшиться і гравітаційне поле. І взагалі, ніякого впливу гравітаційного поля, на структуру всесвіту не помітно. Під впливом гравітаційного поля, рух галактик, повинно бути викривлено. Фізики перебільшують значення гравітації на еволюцію всесвіту.

Розбігання галактик відбувається рівномірно по всіх сторонах. Це можливо тільки в тому випадку, якщо наша всесвіт не має спільного центру обертання. Інакше з різних сторін, галактики б віддалялися і наближалися з різною швидкістю. Із закону Хаббла можна зробити висновок: «Цей всесвіт не має спільної точки обертання, а, значить, гравітаційне поле не зможе змусити всесвіт стиснутися. Це зроблять інші сили ».

Усі необхідні відомості і закономірності з цих розділів є надійно встановленими, тому що отримується з їх допомогою інформацію щодо еволюції системи можна вважати цілком достовірною. Принципові труднощі виникають лише при спробі просунутися ще ближче до "початку світу", тобто всередину першим сотої частки секунди.

Тут явне бажання видати бажане за дійсне. Фізики не тільки не знають перші хвилини Великого Вибуху, але не можуть пояснити і сучасний стан всесвіту. Вони не знають як виникли спіральні галактики, що зберігають свою структуру, як ці галактики еволюціонують і як стають безплатними галактиками. Та й які сили можуть змусити всесвіт стиснутися, теж не знають. І які сили, змушують всесвіт, розширюється, для фізиків теж темний ліс.

За даними сучасної астрономії спостережень зірки у Всесвіті групуються в галактики, які, у свою чергу, також утворюють скупчення. Подання про порядки величин дають такі цифри: наша Галактика містить ~ 1011 зірок і має форму лінзи діаметром 80 тисяч світлових років і товщиною ~ 30 тисяч світлових років.

Та все спіральні галактики мають форму лінзи, а от товщина цих "лінз" прямопропорційна термоядерним процесам, що відбуваються в галактиках. Цей феномен сучасна фізика пояснити не може, оскільки вважає, що елементарні частинки складаються з кварків. Насправді елементарні частинки складаються з кванта енергії і вакууму, що має складну будову. Саме вакуум перетворює хвилю в корпускул. При термояду виділяється не тільки енергія, а й вакуум, з усіма його структурами, в тому числі і з носієм гравітаційного поля. Цей тип гравітації називається «Лінійним». Саме Лінійна гравітація притягує зірки до площини спіральних галактик. Зменшаться термоядерні реакції в галактиці, і галактики, з спіральних, будуть перетворюватися на кульові.

Дані спостережень показують, що у великих масштабах Всесвіт однорідний і изотропна. Грубо кажучи, це означає, що в будь-якій сфері з фіксованим досить великим діаметром (достатнім вважається число ~ 300 мільйонів світлових років) міститься приблизно однакова кількість галактик. Твердження про однорідності та ізотропності Всесвіту у великих масштабах прийнято називати космологічний принцип.

Однорідність і изотропность всесвіту ніяк не в'яжеться з вибуховим процесом. Ні за один вибух, такого бути не може. Це можливо тільки в тому випадку, коли вся речовина всесвіту, виникло по всьому об'єму всесвіту, а не з однієї точки.

Кількісним підсумком цих спостережень є сформульований в 1929 році Хабблом "закон розбігання" (формула 5), згідно з яким, всі галактики (в середньому) віддаляються від нас, і швидкість цього розбігання u приблизно пропорційна відстані R до розглянутої галактики.

u = RH (5)

Якби галактики віддалялися від нас, то ніякого Космологічного Принципа не могло б бути. Галактики віддаляються не від нас, а один від одного

Наочною моделлю такого розбігання може послужити надувну гумову кульку з нанесеними хаотично на його поверхню точками - "галактиками": при надування всі ці точки будуть віддалятися один від одного в точній відповідності з законом Хаббла.

У гумовий кульку надувають газ, а що надувається в наш всесвіт, що б вона розширювалася? Крапки "розбігаються на поверхні кульки (на площині), а наш всесвіт збільшується у всьому обсязі. Це хороший спосіб, але він не пояснює природи даного явища. До образним прикладів вдаються тоді, коли немає реальних знань. Цей всесвіт збільшується в об'ємі за рахунок термоядерних реакцій, що відбуваються в зірках. Як тільки термоядерні реакції сповільняться, всесвіт почне стискатися.

Це модель "двовимірного замкнутого світу". Аналогічний "відкритий світ" можна представити у вигляді гумової площині з нанесеними точками, рівномірно розтягується в усіх напрямках.

І знову це площина. І знову це образ. Ніяке образне порівняння, не може замінити знання природи розширення всесвіт. Видалення галактик пов'язано не тільки з відстанню, але і з термоядерними процесами, що відбуваються в галактиках.

Але вже в кінці сорокових років з'явилися перші роботи фізиків-теоретиків, в яких передбачалося, що в даний момент вся Всесвіт повинна бути заповнена рівноважним електромагнітним випромінюванням з ефективною температурою в кілька градусів Кельвіна.

Це означає, що вибух був не точковим, а рівномірним по всьому об'єму всесвіту.

Внаслідок того ж ефекту Доплера випромінювання в напрямку руху повинно здаватися трохи більш гарячим, а у зворотному напрямку - більш холодним. Ці невеликі (близько 10 - 3 від основної величини) варіації температури були виявлені експериментально, і вони мають характерну кутову залежність. За цими даними можна обчислити швидкість руху Землі відносно цього "нового ефіру", утвореного фоном реліктового випромінювання. У підсумку виходить значення близько 600 км / с.

Це вже доказ помилковості теорії відносності Ейнштейна. Значить, у природі є єдина система відліку, щодо якої можна вести всі вимірювання. Ми можемо визначити і швидкість нашого переміщення у всесвіті, і напрямок руху. Все це заперечує Т О.

7. Висновки.

На користь теорії «Великого вибуху» кажуть: реліктове випромінювання, характер поширення хімічних елементів у Всесвіті. Але все ж залишається багато невирішених питань на які ми поки не в змозі дати відповідь.

По-перше, теорія не дає відповіді на наступні питання:

Що змусило речовина Всесвіту розширюватися?

Що відбувалося до початку розширення, до моменту сингулярності?

Конечни чи простір і маса? Звідки вони беруться.

По-друге, незважаючи на те, що теорія «Великого Вибуху» грунтується на ТО, допускається розбігання деяких частинок зі швидкостями, в кілька разів перевищують швидкість світла. Так само в теорії вказуються обмеження на можливу щільність речовини (не більше 1097), хоча з іншого боку висувається гіпотеза про первісну точковість Всесвіту, а отже і все-таки про нескінченну щільності (тому що маса нескінченна).

По-третє, досить абстрактно, альтернативно розглядаються такі питання, щільно примикають до теорії «Великого вибуху», як кордони і відкритість Всесвіту, евклідового і неевклідова модель Всесвіту.

Нарешті, не знаходять вагомого фактичного підтвердження (хоча за теоретичним викладенням все виходить добре і головне - «зручно») існування таких частинок як гіперонів, мезони.

Тобто всі методи аналізу отриманих даних, дослідження, висунення гіпотез здійснюються при досить високому ступені припущень. Така ступінь не дозволена для гіпотези, хоча може бути і підходить для настільки глобальної теорії.

Залишається тільки вірити чи сподіватися, що космологія коли-небудь заповнить ці «білі діри», зробить свої висновки обгрунтованими і по можливості фактично підтвердженими.

До речі, про «білих діри». Найімовірніше, саме їх вивчення дозволить нам отримати відповіді на багато питань, тому що існує гіпотеза: саме білі діри є шматками первозданної сингулярності, первозданного ядра розширення.

У цьому напрямку, мабуть, і варто чекати нових відкриттів в даній області, тому що дане питання в цілому є ще не повністю вивченим і вимагає серйозних досліджень.

8. Глосарій.

Адрони - загальна назва елементарних частинок (баріонів, включаючи всі резонанси і мезони), схильних до сильного взаємодії (це взаємодія відповідально за стійкість атомних ядер).

Античастинки - електричні частинки, маса і спін яких точно дорівнює масі і спину однієї частинки, а електричний заряд, магнітний момент і інші подібні характеристики рівні за величиною і протилежні за знаком тим же характеристикам частинки. Характерною властивістю таких пар (частка-античастка) є їх анігіляція при зіткненні і народження їх у процесах взаємодії частинок високих енергій.

Анігіляція - перетворення частинок і античастинок при їх зіткненні в інші частинки (наприклад, протон + антипротон = np-мезонів; електрон + позитрон = nФотонов).

Ядерна фізика - «важкі» елементарні частинки з масою менше протона і спіном, рівним ½. До них відносять, наприклад нуклони (протони і нейтрони), а так само багато інших частинок / див кварки /.

Бозони - великий клас елементарних частинок з цілочисловим спіном (наприклад, фотони зі спіном 1). До цього класу належать мезони, проміжні векторні бозони та ін частинки.

Векторні нуклони - див баріони.

Гамма-випромінювання - випромінювання, що виникає при гальмуванні заряджених частинок великої енергії в речовині, анігіляції пар і т.д.

Глюони - гіпотетичні елементарні частинки (спін дорівнює 1, маса спокою 0), що забезпечують взаємодію між кварками.

Лептони - фізично найбільш легкі елементарні частинки зі спіном ½, що не мають баріонного заряду, але які мають лептонний зарядом; до лептонів належать електрон, важкий лептон, позитрон, нейтрино, мюон, що має електричний заряд і їх античастинки.

Мезони - нестабільні елементарні частинки з масами, проміжними між масами протона і електрона.

Мюон - нестабільні позитивно і негативно заряджені елементарні частинки зі спіном ½ і масою ~ 207 електронних мас і часом життя ~ 10-6С; відносяться до лептонів.

Нейтрино - фізично нестабільна нейтральна елементарна частинка з масою, рівною, мабуть 0, і спіном ½. Відноситься до лептонів. Виникає при бета-розпаді атомних ядер і при розпаді елементарних частинок; надзвичайно слабо взаємодіють з речовиною.

Нейтрони - фізично - електрично нейтральний елемент частинки з масою, що дорівнює масі протона і спіном ½; входить до складу атомних ядер; у вільному стані нестабільний, час життя 16 хвилин.

Півонії - p-мезони - група трьох нестабільних елементарних частинок (адронів) з нульовим спіном і масою близько 270 електронних мас, 2 півонії (p + і p-) несуть елементарний заряд, третій (p0) електрично нейтральний; є переносниками ядерних сил.

Протон - стабільна елементарна частинка зі спіном ½ і масою в 1836 електронних мас (~ 10-24 г), що відноситься до баріонів; ядро ​​легкого ізотопу атома водню (протію). Разом з нейтронами протони утворюють всі атомні ядра.

Електрон - стабільна негативно заряджена елементарна частинка зі спіном ½, масою ~ 9.10 -28 г і магнітним моментом, рівним магнетону Бора; відноситься до лептонів і бере участь в електромагнітній, слабкій і гравітаційній взаємодіях. Електрон один з основних структурних елементів речовини; електронні оболонки атомів визначають оптичні, електричні, магнітні і хімічні властивості атомів і молекул, а також більшість властивостей твердих тіл.

Список літератури

Васильєв А. Н. "Еволюція всесвіту", інтернетівський адреса: www.pereplet.ru / obrazovanie / stsoro. s/44.html

Горєлов А.А. «Концепції сучасного природознавства» - М.: «Центр», 1998 р.

Кесарії В.В. Еволюція речовини у Всесвіті. - М.: Атоміздат, 1989.

Левітан Є.П. Еволюціонує Всесвіт. - М.: Просвещение, 1993.

Новіков І.Д. Еволюція Всесвіту - 3-е вид., Перероблене. - М.: Наука, 1993.

Ройз І. Всесвіт між миттю і вічністю. - «Наука і життя», № № 11 і 12, 1996 р.

Самсонов А.Л. «Концепція еволюціонізму і теорія Великого вибуху» - «Екологія і життя», № 1,2000 р.

Шишлова А. «У лабораторії - десять мікросекунд після Великого вибуху». - «Наука і життя», № 3, 2000 р.

http://spacescience.com/

www.astrolabe.ru

www.astronomynow.com / breaking.html

www.rambler.ru/sites/217000/217217.html

www.rambler.ru/sites/21792/189324.html

www.eso.org/outreach/divss-rel/

10. Розрахункова частина.

Завдання.

При зіткненні α-частинки з ядром бору сталася ядерна реакція, у результаті якої утворилося два нових ядра. Одним з цих ядер було ядро ​​атома водню. Визначити порядковий номер і масове число другого ядра, дати символічну запис ядерної реакції і визначити її енергетичний ефект.

Рішення.

Позначимо невідоме ядро ​​символом. Так як α-частинка є ядро ​​гелію, запис реакції має вигляд

+ +.

Застосувавши закон збереження числа нуклонів, отримаємо рівняння

4 +10 = 1 + А

А = 13.

Застосувавши закон збереження заряду, отримаємо рівняння

2 +5 = 1 + Z

Z = 6.

Отже, невідоме ядро ​​є ядром атома ізотопу вуглецю.

Тепер ми можемо записати реакцію в остаточному вигляді:

+ +.

Енергетичний ефект Q ядерної реакції визначається за формулою

Q = 931 [(m He + m B) - (m H + m C)].

Тут у перших круглих дужках вказані маси вихідних ядер, у других дужках - маси ядер - продуктів реакції. При числових підрахунках по цій формулі маси ядер замінюють масами нейтральних атомів. Можливість такої заміни випливає з таких міркувань.

Число електронів в електронній оболонці нейтрального атома одно його число заряду Z. Сума зарядових чисел вихідних ядер дорівнює сумі зарядових чисел ядер - продуктів реакції. Отже, електронні оболонки ядер гелію і бору містять разом стільки ж електронів, скільки їх містять електронні оболонки ядер вуглецю і водню.

Очевидно, що при вирахуванні суми мас нейтральних атомів вуглецю та водню з суми мас атомів гелію і бору маси електронів випадуть і ми отримаємо той же результат, як якщо б брали маси ядер. Підставивши маси атомів у розрахункову формулу, отримаємо

Q = 931 [(4,00260 + 10,01294) - (1,00783 + 13,00335)] = 4,06 МеВ.

Відповідь:

Друге ядро ​​- ядро ​​атома ізотопу вуглецю.

Символічна запис ядерної реакції:

+ +.

Енергетичний ефект Q ядерної реакції 4,06 МеВ.