Модель Большого Взрыва
Другие рефераты
Модель Большого Взрыва расширяющейся Вселенной
Планеты, звёзды, галактики поражают нас удивительным разнообразием
своих свойств, сложностью строения. А как устроена вся Вселенная в целом ?
Её главное свойство - однородность. Она предстаёт перед нами всюду
одинаковой - «сплошной». Указывая из соображений максимальной простоты
устройства на общую однородность мира, замечательный мыслитель Паскаль
(1623-1662) говорил, что мир - это круг, центр которого везде, а окружность
нигде. Так с помощью наглядного геометрического образа он утверждал
однородность мира.
У Вселенной есть и ещё одно важнейшее свойство. Она находится в
движении, расширяется. Расстояние между скоплениями и сверхскоплениями
постоянно возрастает. Они как бы разбегаются друг от друга. А сеть ячеистой
структуры растягивается.
Во все времена люди предпочитали считать Вселенную вечной и
неизменной. Эта точка зрения господствовала вплоть до 20-х годов нашего
века. В то время считалось, что она ограничена размерами нашей Галактики.
Настоящий переворот в науке о Вселенной произвели в 1922 - 1924 годах
работы ленинградского математика и физика А. Фридмана. Опираясь на только
что созданную тогда А. Эйнштейном общую теорию относительности, он
математически доказал, что мир - это не нечто застывшее и неизменное. Как
единое целое он живет своей динамической жизнью, изменяется во времени,
расширяясь или сжимаясь по строго определённым законам.
Фридман открыл подвижность звёздной Вселенной. Это было теоретическое
предсказание, а выбор между расширением и сжатием нужно сделать на
основании астрономических наблюдений. Такие наблюдения в 1928 - 1929 годах
удалось проделать Хабблу, известному уже нам исследователю галактик.
Он обнаружил, что далёкие галактики и целые их коллективы движутся,
удаляясь от нас во все стороны. Но так и должно выглядеть, в соответствии с
предсказаниями Фридмана, общее расширение Вселенной.
Конечно, это не означает, что галактики разбегаются именно от нас. В
действительности общее расширение Вселенной происходит так, что все они
удаляются друг от друга, и из любого места картина этого разбегания
выглядит так, как мы видим её с нашей планеты.
Предполагаемый возраст Вселенной во много раз превышает те временные
отрезки, которыми мы оперируем, описывая историю человечества или даже
историю нашей планеты. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь
ничтожным звеном в эволюции Вселенной, а с точки зрения человека, процесс
эволюции Вселенной происходит очень медленно.
Согласно общепринятой сегодня эволюционной теории Вселенной, началом
ее был гигантский, раскаленный и плотный огненный шар. Это было около
десяти миллиардов лет назад. Предполагаемый состав этого первичного яйца
был весьма прост: огненный шар был настолько раскален, что, вероятнее
всего, состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно
двигались, сталкиваясь друг с другом, хотя, скорее всего, это были не те
элементарные частицы, которые современные ученые привыкли наблюдать
сегодня.
Какое-то время шар находился в покое, а затем произошел Большой Взрыв,
и на протяжении десяти миллиардов лет после этого события, грандиозной
вселенской катастрофы, простейшее бесформенное вещество постепенно
превращалось в атомы, молекулы, кристаллы, породы, планеты. Рождались
звезды, системы, состоящие из огромного количества элементарных частиц с
весьма простой организацией, и, вероятно, на некоторых планетах могли
возникнуть формы жизни, подобные земным или же радикально отличающиеся от
них.
Итак, произошел Взрыв, по-английски Big Bang, и с этой секунды
началось расширение Вселенной, продолжающееся до сих пор, а момент, с
которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом, хотя,
возможно, Мировое Яйцо, огненный шар, бесконечно долго пребывал в
стабильном состоянии. Под расширением Вселенной подразумевается такой
процесс, когда одно и то же количество элементарных частиц и фотонов
занимают постоянно возрастающий объём, а, следовательно, 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 начале времен (примерно десять миллиардов лет назад)
плотность Вселенной была очень большой, ведь в относительно небольшом
объеме содержалось все существующее сегодня вещество. 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 фантастически раскаленной 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, а энергия превращалась в
вещество.
Подробный анализ показывает, что температура вещества Т понижалась
во времени в соответствии с простым соотношением :
T = 1010/ ? t K .
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 h?’kT понижалась и энергия фотонов. Это возможно лишь в том
случае, если уменьшится их частота ?.
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 :
h? >=2moc2
Со временем энергия фотонов понижалась, и как только она упала ниже
произведения энергии частицы и античастицы (2moc2), 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 h?
кинетической энергией частиц kT ,
kT >= 2 moc2
то есть
T >= 2 moc2/k
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
2 moc2/k
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 ? 2 гамма-фотона
при условии соприкосновения вещества с антивеществом. Процесс
материализации
гамма-фотон ? частица + античастица
мог протекать лишь при достаточно высокой температуре. Согласно тому, как
материализация в результате понижающейся температуры раскаленного вещества
приостановилась. Эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эры :
адронную, лептонную, фотонную и звездную.
Адронная эра.
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 h? 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
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
