Контрольная работа: Эволюция Вселенной

Механизм дальнейшей эволюции зависит от средней плотности вещества в ней. Критической плотности вещества соответствует величина в 3 атома водорода в 1 м3 пространства. Однако неопределенность в современном значении плотности вещества Вселенной очень велика. Если сложить массы всех известных в настоящее время Галактик и межзвездного газа, то получится величина ?=0,3 атома Н, то есть на порядок меньше критической. Соответственно, Вселенная может расширяться вечно.

Однако, существует так называемая проблема скрытой массы. Возможно, ученым известна не вся имеющаяся во Вселенной материя. По последним данным, наблюдаемая масса Вселенной составляет всего 5-10% относительно общей массы вещества. В случае подтверждения этого результата, эволюция Вселенной может пойти по другому пути. На роль скрытой носителей массы Вселенной претендуют различные космические объекты. В нашей и других Галактиках существует большое количество темной материи, которую нельзя видеть непосредственно, но о существовании которой мы узнаем по ее гравитационному воздействию на орбиты звезд. Более того, внутри галактических скоплений содержится еще большее количество такой материи. Эта материя представляет собой вакуумные квантовомеханические структуры. На ее долю падает 75% скрытой массы.

На роль носителей скрытой массы могут претендовать нейтрино, частицы, образовавшиеся на ранних стадиях развития вселенной. Как стало известно в последние 3 года, нейтрино все – таки имеют массу, следовательно, могут участвовать в формировании гравитационных взаимодействий.

Кандидатами на ту же роль являются и некоторые экзотические объекты, такие как черные дыры – объекты точечного размера и огромной массы, которые содержатся во вселенной в больших количествах, пространственные струнные объекты и т.п.

По мнению ряда ученых, 20% скрытой материи представлены «зеркальными частицами», из которых состоит невидимый нами «зеркальный мир», который пронизывает нашу Вселенную. Гипотез на этот счет достаточно, однако их подтверждение или опровержение – дело будущего.

В случае, если предположения ученых о неизвестной нам массе вещества Вселенной подтвердятся, то ее эволюция может пойти по пути, предложенному в модели Фридмана, или по схеме Пульсирующей Вселенной. В этой модели Вселенная проходит бесконечно большое количество осцилляций, то есть в конце каждого жизненного цикла возвращается в первоначальное состояние с точечным объемом и бесконечно большой плотностью.

Очень важной проблемой современной космологии являются начальные моменты существования нашей Вселенной. Удачная попытка решения этой проблемы связана с именем американского астрофизика Георгия Антоновича Гамова, который в 1942 г. предложил концепцию эволюции Вселенной путем «Большого взрыва». Основная цель автора концепции заключалась в том, чтобы, рассматривая ядерные реакции в начале космологического расширения, получить наблюдаемые в наше время соотношения между количеством различных химических элементов и их изотопов. Теория Горячей Вселенной и Большого взрыва дает определенные предсказания о состоянии вещества Вселенной в первые моменты ее жизни.

3. Обоснование расширения Вселенной

Вселенная расширяется. Этот фундаментальный научный факт, установленный теоретически (А.А. Фридман, 1922) и экспериментально (Э. Хаббл, 1929), является в настоящее время общепризнанным.

Что же понимается современной наукой под расширением Вселенной, и какую роль играет, и играет ли, расширение Вселенной в современной физической картине мира?

В общих чертах под расширением Вселенной (Метагалактики) подразумевается следующее: радиус кривизны пространства Вселенной растет, по крайней мере, на современном этапе эволюции. Проявляется это в том, что расстояния между далекими галактиками увеличиваются и тем быстрее, чем дальше они находятся друг от друга. При наблюдении с Земли далекие галактики «разбегаются» от Земли, что подтверждается красным смещением в спектрах этих галактик.

По данным современной наблюдательной астрономии звезды во Вселенной группируются в галактики, которые, в свою очередь, также образуют скопления. Представление о порядках величин дают следующие цифры: наша Галактика содержит ~ 10¹¹ звезд и имеет форму линзы диаметром 80 тысяч световых лет и толщиной ~ 30 тысяч световых лет. Ближайшая к нам галактика M31 в созвездии Андромеды удалена от нас на расстояние порядка 2 миллионов световых лет. Мы находимся на периферии гигантского скопления более тысячи галактик с центром в направлении созвездия Девы, удаленным на расстояние ~ 60 миллионов световых лет. Возможности современной техники позволяют наблюдать достаточно яркие галактики вплоть до расстояний порядка 10 миллиардов световых лет. Данные наблюдений показывают, что в крупных масштабах Вселенная однородна и изотропна. Грубо говоря, это означает, что в любой сфере с фиксированным достаточно большим диаметром (достаточным считается число ~ 300 миллионов световых лет) содержится приблизительно одинаковое число галактик. Утверждение об однородности и изотропности Вселенной в больших масштабах принято называть Космологическим Принципом. [3, с. 53]

В наблюдаемых спектрах звезд и галактик хорошо различимы спектральные линии поглощения (хромосферами звезд) известных элементов. Это позволяет довольно точно измерять с помощью хорошо известного эффекта Доплера скорость, с которой данный излучающий объект удаляется или приближается по отношению к земному наблюдателю.

Если бы окружающие нас галактики двигались хаотически, то красные и голубые смещения в их спектрах наблюдались бы с одинаковой вероятностью. Но эксперимент показывает другое: красные смещения преобладают и тем больше, чем дальше от нас находятся изучаемые объекты. Количественным итогом этих наблюдений является сформулированный в 1929 году Хабблом «закон разбегания», согласно которому все галактики (в среднем) удаляются от нас и скорость этого разбегания приблизительно пропорциональна расстоянию до рассматриваемой галактики:

Коэффициент пропорциональности называют постоянной Хаббла. Мы указали в принимаемое сейчас большинством астрономов значение: 15 км/с на каждый миллион световых лет расстояния. Здесь следует отметить, что определение величины по данным эксперимента является очень трудной задачей: скорости по эффекту Доплера можно определить достаточно точно, но измерение расстояний до далеких галактик - труднейшая проблема, и до сих пор она решается лишь различными косвенными методами. Сам Хаббл при оценке расстояний занизил их на порядок, поэтому получил на порядок большее значение (170 вместо 15). До сих пор часть астрономов считает, что значение заметно больше приведенного, но большинство принимает цифру 15.

Из закона разбегания, разумеется, не следует, что наша галактика является центром мира, а все прочие удаляются от нее. Согласно Космологическому Принципу наша галактика ничем не выделена, так что точно такую же картину разбегания должен видеть наблюдатель из любой другой галактики. Это значит, что «все разбегаются от всех». Наглядной моделью такого разбегания может послужить надуваемый резиновый шарик с нанесенными хаотически на его поверхность точками – «галактиками»: при надувании все эти точки будут удаляться друг от друга в точном соответствии с законом Хаббла. Это модель «двумерного замкнутого мира». Аналогичный «открытый мир» можно представить в виде резиновой плоскости с нанесенными точками, равномерно растягивающейся во всех направлениях.

Из пропорциональности и вытекает фундаментальный вывод относительно существования «начала мира»: где-то в прошлом был момент, в который любая из наблюдаемых сейчас галактик была бесконечно близка к нашей, следовательно, «любая к любой» в силу Космологического Принципа. Из-за такого сближения плотность вещества во Вселенной в «начальный момент» становится бесконечной. Но это не означает, что все оно было собрано в одном месте, так как тот же Космологический Принцип требует, чтобы плотность становилась бесконечной в любой точке пространства.

Оценить «возраст Вселенной» можно очень просто, если предположить, что постоянная Хаббла в процессе расширения остается неизменной: тогда миллиардов лет для числа из формулы. На самом деле предположение о неизменности неправильно и точную оценку можно получить только с помощью космологической модели Фридмана. К качественным изменениям это не приводит, а для тогда получается 14 миллиардов лет. [1, с. 176]

4. Этапы космической эволюции

Мы оставили Вселенную в момент времени t = 3.10(-34) (степень)) с при Т = 10(27) К. Температура Т = 10(27) К называется температурой Великого объединения. При этой температуре стирается различие между тремя видами взаимодействий - электромагнитным, слабым и сильным, и во Вселенной действует одна сила, объединяющая эти три взаимодействия. При Т > 10(27) К адроны распадаются на кварки. Вселенная состоит из кварков, лептонов и фотонов. Все частицы находятся в равновесии: кварки свободно переходят в лептоны и наоборот, частицы переходят в античастицы.

По мере расширения Вселенной температура ее падает. При t = 3.10(-34) с температура падает ниже 10(27) К. Теперь уже кварки не могут превращаться в лептоны, взаимодействие Великого объединения разделяется на сильное и электрослабое. И здесь же происходит еще один важный процесс: нарушается равновесие между кварками и антикварками, возникает избыточный барионный заряд - число барионов на одну миллиардную часть превосходит число антибарионов. На миллиард антибарионов всего один лишний барион! Но именно благодаря этой ничтожной ассиметрии существуем мы с вами и весь окружающий нас Мир. Основная масса Вселенной в этот период сосредоточена в адронах. Поэтому этот период получил название адронная эра. Она длилась до момента t = 10-4с.

При t > 10(-4) с температура падает ниже 3.10(12) К, при этом, во-первых, кварки объединяются в ядерные частицы - образуются протоны и нейтроны, а во-вторых, происходит аннигиляция барионов и антибарионов (нуклонов и антинуклонов), при этом остаются только те избыточные нуклоны, для которых не хватило античастиц. Из них-то впоследствии и образовалось всё вещество Вселенной. Если до аннигиляции основная масса Вселенной была сосредоточена в адронах, то после аннигиляции она сосредоточивается в лептонах. Соответствующий период в развитии Вселенной получил название лептонная эра. Длилась она до момента, когда от начала расширения прошло 100 секунд. При t > 10 с, когда температура упала до 3 миллиардов градусов, произошла аннигиляция электронов и позитронов, которые превратились в кванты электромагнитного излучения. При t = 100 с основная масса Вселенной сосредоточилась в фотонах - и настала эра излучения. Она длилась долго, около 300 000 лет. В самом начале эры излучения, приблизительно через 5 минут после начала расширения Вселенной, когда температура упала ниже 109 К, начались ядерные реакции, образовалось первичное вещество Вселенной, на 75% оно состояло из водорода и на 25% из гелия. Вещество находилось в ионизованном состоянии и в равновесии с излучением. При t > 200 000 лет, когда температура упала ниже 4000 К, произошла рекомбинация - образовалось нейтральное вещество (водород и гелий). Вселенная продолжала расширяться, плотность вещества и излучения падала, но плотность излучения падала быстрее. Через 100 000 лет после рекомбинации плотность вещества превысила плотность излучения. Началась эра вещества, которая длится до настоящего времени.

Может возникнуть вопрос: если при рекомбинации образовались только водород и гелий, то откуда же взялись все остальные химические элементы? Все остальные химические элементы (кроме водорода и гелия) образовались позднее, в результате ядерных реакций в звездах.

Итак, мы живем в эру вещества. Сколько же времени прошло с начала расширения Вселенной, иными словами, каков современный возраст Вселенной? Точно мы этого не знаем, но приблизительно указать можно: от 10 до 20 млрд. лет. Обычно принимается около 15 млрд. лет. А каков возраст самых старых цивилизаций во Вселенной? Наблюдения показывают, что уже через миллиард лет после начала расширения во Вселенной существовало твердое вещество из тяжелых химических элементов. Следовательно, в это время мог начаться процесс формирования планет и возникновения на них каких-то разумных видов. Как долго он длился? Возраст Земли 4,6 млрд. лет, округлим его до 5 млрд. лет. Значит, на Земле на образование цивилизаций ушло 5 млрд. лет. Если темп развития жизни и разума во Вселенной в среднем примерно такой же, как на Земле, то значит, первые цивилизации во Вселенной могли появиться через (1 + 5 = 6) миллиардов лет после начала расширения Вселенной, или 9 миллиардов лет тому назад. Н.С. Кардашев принимает более скромную оценку возраста Вселенной - 13 млрд. лет и получает, что первые цивилизации могли появиться во Вселенной 7 млрд. лет тому назад. Можно представить, какого развития достигли они за это время! [5, с. 87]

Заключение

Вселенная развивается и в наше время. В спиральных галактиках рождаются и умирают звезды. Вселенная продолжает расширятся…

Мы знаем строение Вселенной в огромном объеме пространства, для пересечения которого свету требуются миллиарды лет. Но пытливая мысль человека стремится проникнуть дальше. Что лежит за границами наблюдаемой области мира? Бесконечна ли Вселенная по объему? И её расширение - почему оно началось и будет ли оно всегда продолжаться в будущем? А каково происхождение «скрытой» массы? И наконец, как зародилась разумная жизнь во Вселенной?

Есть ли она ещё где-нибудь кроме нашей планеты? Окончательные и полные ответы на эти вопросы пока отсутствуют.