Реферат: Еволюція Всесвіту

З плином часу постійна Хаббла поступово зменшується - розбіжність галактик сповільнюється. Але таке зменшення за спостережуваний проміжок часу мізерно мале. Зворотного величиною постійною Хаббла визначається час життя (вік) Всесвіту. З результатів спостереження випливає, що швидкість віддалення галактик збільшується приблизно на 75 км \ с на кожен мільйон парсек (1 парсек дорівнює 3,3 світлового року; світловий рік - це відстань, яку проходить світлом у вакуумі за 1 земний рік). При даній швидкості екстраполяція до минулого приводить до висновку: вік Всесвіту становить близько 15 млрд. років, а це означає, що весь Всесвіт 15 млрд. років тому був зосереджений в дуже маленькій області. Передбачається, що в той час щільність речовини Всесвіту була порівнянною з щільністю атомного ядра, і весь Всесвіт представляв собою величезну ядерну краплю. З якихось причин ядерна крапля опинилася в нестійкому стані і вибухнула. Це припущення лежить в основі концепції великого вибуху.

Множенням часу життя Всесвіту на швидкість світла визначається радіус космологічного горизонту - межа пізнання Всесвіту за допомогою астрономічних спостережень. Інформація про об'єкти за космологічний горизонтом до нас ще не дійшла - ми не можемо зазирнути за космологічний горизонт. Нескладний розрахунок показує, що радіус космологічного горизонту дорівнює приблизно 10 м. Очевидно, що цей радіус щомиті збільшується приблизно на 300 тис. км. Але таке збільшення мізерно мало, порівняно з величиною радіуса космологічного горизонту. Для спостереження помітного розширення космологічного горизонту потрібно почекати мільярди років.

У концепції великого вибуху передбачається, що розширення Всесвіту відбувалося з однаковою швидкістю, починаючи з моменту вибуху ядерної краплі. В даний час обговорюється й інша гіпотеза - гіпотеза пульсуючого Всесвіту: Всесвіт не завжди розширювався, а пульсує між кінцевими межами щільності. З неї випливає, що деякому минулому швидкість віддалення галактик була меншою, ніж зараз, і були періоди, коли Всесвіт стискалася, тобто галактики наближалися одна до одної і з тим більшою швидкістю, чим більша відстань їх розділяло.

1.4 Гіпотези Г.А. Гамова

У міру розвитку природознавства і особливо ядерної фізики висуваються різні гіпотези про фізичні процеси на різних етапах космологічного розширення. Одна з них запропонована наприкінці 40 х рр.. ХХ ст. Г.А. Гамовим (1904-1968), фізиком - теоретиком, емігрував у 1933 р. з Радянського Союзу в США, і називається моделлю гарячого Всесвіту.  У ній розглянуті ядерні процеси, що протікали в початковий момент розширення Всесвіту в дуже щільному речовині з надзвичайно високою температурою. З розширенням Всесвіту щільне речовина охолоджувалося.

З цієї моделі слідує два висновки:

- Речовина, з якої зароджувалися перші зірки, складалася в основному з водню (75%) і гелію (25%);

- В сьогоднішньому Всесвіту повинно спостерігатися слабке електромагнітне випромінювання, яке зберегло пам'ять про початковий етап розвитку Всесвіту, і тому назване реліктовим.

1.5 Реліктове випромінювання А. Пензіса і Р. Вільсона

З розвитком астрономічних засобів спостереження, і зокрема, з народженням радіоастрономії, з'явилися нові можливості пізнання Всесвіту. У 1965 р. американські астрофізики А. Пензіас і Р. Вільсон експериментально виявили реліктове випромінювання. Реліктове випромінювання - це фонове ізотропне космічне випромінювання зі спектром, близьким до спектру випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою близько 3 К.

У 2000 р. повідомлялося: зроблено важливий крок на шляху розуміння самого раннього етапу еволюції Всесвіту. У лабораторії європейських ядерних досліджень в Женеві отримано новий стан матерії - кварк - глюонна плазма. Передбачається, що в такому стані Всесвіт перебувала в перші 10 мкс після великого вибуху. До цих пір вдавалося охарактеризувати еволюцію матерії на стадії не раніше трьох хвилин після вибуху, коли вже сформувалися ядра атомів.

2. Модель гарячого Всесвіту

Всесвіт - це сукупність усього, що існує. Земля, Місяць, Сонце і всі планети і зірки утворюють Всесвіт. Всесвіт повний великими і хвилюючими таємницями і загадками, які вчені намагаються розгадати. Багато висувають теорії щодо її походження. Вони стверджують, що Всесвіт існував не завжди, але мала свій початок.

Виходячи з досліджень зірок і галактик, вчені помітили, що вони відокремлюються один від одного з великою швидкістю. Це дозволяє припустити, що в якийсь момент вони були з'єднані. Досвід, який пропонується для пояснення, яким був початок Всесвіту, полягає в тому, що повітряна куля розмальовують невеликими плямами. Коли куля надувають, відстань між плямами збільшується, і плями також стають все більше. У цьому досвіді плями являють галактики, а надування кулі - поширення Всесвіту.

2.1 Космологія Великого Вибуху

Бельгійський астроном Жорж Ламетр, що вивчав зірки, висловив припущення, що 15 мільярдів років тому Всесвіт була маленькою і дуже щільною. Це стан Всесвіту він назвав «космічним яйцем». Відповідно до його розрахунків, радіус Всесвіту в первісному стані був рівний 10 см, що близька за розмірами до радіуса електрона, а її щільність становила 1910 / см, тобто Всесвіт представляв собою мікрооб'єктів мізерно малих розмірів.

Від первісного стану Всесвіт перейшов до розширення в результаті Великого вибуху, тобто вся матерія, що входила до складу «космічного яйця», вирвалася назовні з великою швидкістю і розлетілася на всіх напрямках.

Сучасні галактики були фрагментами цього «яйця», що вибухнуло. Зірки галактик у свою чергу розвивалися, поки не прийняли сучасний стан. Зазвичай для визначення цього явища використовують англійський вираз Big Bang, що означає «великий вибух».

Отже, в основі в основі сучасних уявлень про еволюцію Всесвіту лежить модель гарячого Всесвіту, або «Великого Вибуху».

Учень А.А. Фрідмана Г.А. Гамов розробив модель гарячого Всесвіту, розглянувши ядерні реакції, що протікали на самому початку розширення Всесвіту, і назвав її «космологією Великого Вибуху».

Ключ до розуміння ранніх етапів еволюції Всесвіту - в гігантському кількості теплоти, що виділилася при Великому Вибуху. У найпростішому варіанті теорії гарячого Всесвіту передбачається, що Всесвіт виник спонтанно в результаті вибуху зі стану з дуже великою густиною і енергією. З розширенням Всесвіту температура падала від дуже великий до досить низькою, забезпечуючи виникнення умов, сприятливих для утворення зірок і галактик. На протязі близько 1 млн. років температура перевищувала кілька тисяч градусів, що перешкоджало утворенню атомів, і, отже, космічне речовина мало вигляд розігрітій плазми. Лише коли температура знизилася, виникли перші атоми. Таким чином, атоми - це релікти епохи, що настала через 1 млн. років після Великого Вибуху.

Ретроспективні розрахунки визначають вік Всесвіту в 13-15 млрд. років. Як було сказано раніше, Г.А. Гамов припустив, що температура речовини була велика і падала з розширенням Всесвіту. Його розрахунки показали, що Всесвіт у своїй еволюції проходить певні етапи, в ході яких відбувається утворення хімічних елементів і структур.

2.2 Поділ початковій стадії еволюції на ери

У сучасній космології для наочності початкову стадію еволюції Всесвіту ділять на ери.

Ера адронів (важких часток, що вступають у сильні взаємодії). Тривалість ери 0,0001 с, температура 10 градусів за Кельвіном, щільність 10 см. У кінець ери відбувається анігіляція частинок і античастинок, але залишається деяка кількість протонів, гіперонів, мезонів.

Ера лептонів (легких частинок, що вступають в електромагнітне взаємодія). Тривалість ери 10 с, температура 10 градусів за Кельвіном, щільність 10 / см. Основну роль відіграють легкі частинки, що беруть участь в реакціях між протонами і нейтронами.

Фотонна ера. Тривалість 1 млн. років. Основна частка маси - енергії Всесвіту - припадає на фотони. До кінця ери температура падає з 10 до 3000 градусів за Кельвіном, щільність - від 10 р. / см до 1910 / см. Головну роль грає випромінювання, яке в кінець ери відділяється від речовини.

Зоряна ера настає через 1 млн. років після зародження Всесвіту. У зоряну еру починається процес утворення протозірок і протогалактік. Потім розгортається грандіозна картина утворення структури Метагалактики.

2.3 Інфляційна модель Всесвіту