Краткое изложение теории Большого Взрыва

Прочитайте текст. Ответьте на вопросы.

1. Назовите основные этапы в развитии взглядов на Вселенную.

2. Прочитайте раздел статьи «Краткое изложение теории Большого взрыва». Ответьте на вопросы:

· Что такое «космологическая сингулярность»?

· Что такое «планковский момент»?

· Что такое «инфляция»?

· Что такое «рекомбинация»?

· Что такое «реликтовое излучение»?

· Что такое «Темные Века»?

3. Каков возраст Вселенной? Каков возраст Солнца? Каков возраст Земли?

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ – ОСНОВНАЯ ТЕОРИЯ

ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ

Е.В. Головачева

 

Вплоть до начала XX века, когда возникла теория относительности Альберта Эйнштейна, в научном мире общепринятой была теория бесконечной в пространстве и во времени однородной и статичной Вселенной. О безграничности Вселенной сделал предположение И. Ньютон (1642-1726), а философ Э. Кант (1724-1804) развил эту идею, допустив, что Вселенная бесконечна в пространстве и времени.

Он объяснил все процессы во Вселенной законами механики, незадолго до его рождения описанными И. Ньютоном.

Наблюдения астрономов 18-19 веков за движением планет подтвердили космологическую модель Вселенной модели Канта, и она из гипотезы превратилась в теорию, а в конце 19 века считалась непререкаемым авторитетом. Этот авторитет не мог поколебать даже так называемый «парадокс темного ночного неба». Почему парадокс?

Потому что в модели кантовской Вселенной сумма яркостей звезд должна создавать бесконечную яркость, а ведь небо-то темное!

В 1915 и 1916 гг. Эйнштейн опубликовал уравнения общей теории относительности (следует заметить, что к настоящему времени это наиболее полно и тщательно проверенная и подтвержденная теория).

Согласно этим уравнениям, Вселенная не является статичной, а расширяется с одновременным торможением. Единственное физическое явление, которое ведет себя подобным образом, это взрыв. Вначале Эйнштейн отвергал такой вывод и в 1917 г. выдвинул гипотезу о существовании некой «силы отталкивания», прекращающей движение и сохраняющей Вселенную в статическом состоянии бесконечное время.

Однако американский астроном Эдвин Хаббл (1889-1953) в 1929 году доказал, что звезды и звездные скопления (галактики), удаляются друг от друга. Это так называемое «разбегание галактик» предсказано изначальной формулировкой общей теории относительности.

Первоначально теория Большого Взрыва называлась «динамической эволюционирующей моделью». Впервые термин «Большой взрыв» применил Фред Хойл в своей лекции в 1949 г. (сам Хойл придерживался гипотезы «непрерывного рождения материи при расширении Вселенной»). Он сказал: «Эта теория основана на предположении, что Вселенная возникла в процессе одного-единственного мощного взрыва и потому существует лишь конечное время… Эта идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной».

На русский язык Big Bang можно было бы перевести как «Большой хлопок», что, вероятно, точнее соответствует уничижительному смыслу, который хотел вложить в него Хойл. После того, как его лекции были опубликованы, термин стал широко употребляться.

Краткое изложение теории Большого Взрыва.

Все – пространство, время и материя – родилось во время Большого взрыва приблизительно 13.7 +/- 0.13 млрд лет назад. Тогда не было никаких планет, звезд или галактик, только круговорот элементарных частиц. Вселенная была крошечная и невероятно горячая. Это состояние ученые назвали «космологической сингулярностью». Космологическая сингулярность (от латинского singularis – единственный, особенный) – состояние Вселенной в начальный момент Большого Взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества. Сразу она начала расширяться и постепенно превратилась во Вселенную, которую мы видим сегодня [1, c. 26].

Начиная с Планковского момента (10^-43с), эта немыслимо маленькая, горячая Вселенная начала расширяться и охлаждаться. Вселенная была шипящим океаном кварков. Кварки – фундаментальные частицы, обладающие электрическим зарядом, из них состоят андроны, в частности, протоны и нейтроны. Эти частицы обладали огромным количеством энергии и невероятной скоростью. Никаких атомов и молекул не было, потому что это сложные структуры, не способные пережить действие очень высоких температур. Кварки просто были слишком энергичны, чтобы организовать протоны и нейтроны. Кроме кварков этот «первичный суп» субатомных частиц содержал и антикварки идентичных близнецов, несущих противоположный электрический заряд. Каждый раз, когда кварк и антикварк встречались, оба исчезали, давая вспышку излучения. Вселенная в ту эпоху состояла полностью из излучения, производившего пары частиц, которые в свою очередь исчезали, сталкиваясь друг с другом, и возвращали энергию фоновому излучению [2, c. 22].

Через микросекунду после Большого взрыва температура упала, кварки достаточно замедлились, чтобы оказаться захваченными взаимными притяжением, и стали образовываться элементарные частицы.

В период 10^-35-10^-32с после Большого взрыва был чрезвычайно короткий этап быстрого расширения, известный как инфляция. Вселенная увеличилась во много миллиардов раз. В конце инфляционного периода расширение успокоилось, вернувшись к относительно устойчивой скорости [1, c. 38].

Приблизительно через 3 секунды после Большого взрыва температура понизилась до 1 млрд⁰К, что позволило начать формироваться ядрам детерия и гелия.

В течение следующих 300 000 лет после катастрофического периода ничего существенного не происходило, и приблизительно ¾ материи во Вселенной превратилось в водород, а остальное в гелий [2, c. 24].

Физические условия оставались более или менее постоянными.

Температура продолжала снижаться, протоны и нейтроны начали медленней двигаться, но излучение и материя все еще были связаны.

Когда через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная охладилась до 3000⁰, произошло внезапное изменение. Образовались первые нейтральные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией. Материя и излучение были отделены друг от друга, и Вселенная стала прозрачной. Отголосок этого события можно наблюдать и теперь, в виде так называемого реликтового излучения или космического микроволнового излучения. Это излучение было предсказано теорией Большого взрыва. Излучение с температурой лишь 2,7⁰К совершенно одинаково во всех направлениях, т. е. изотропно. Эта однородность является одной из главных причин, по которой его считают теплом, оставшимся от Большого взрыва, а также является одним из доказательств данной теории [1, c. 45].

В течение последующих 150 млн лет после Большого взрыва был период, названный астрономом Мартином Рисом Темными Веками. В течение этой эпохи еще не существовало никаких звезд, чтобы осветить вселенную. В этот период равномерно распределенный газ стал собираться под действием сил гравитации в более локальные области. Эти скопления газа позволили сформироваться первым звездам и галактикам [1, c. 52].

Первые звезды появились приблизительно через 200 млн лет после Большого взрыва. Они были чрезвычайно массивны, поэтому можно было бы предположить, что время их жизни гораздо дольше, чем у Солнца. Однако на самом деле верно обратное: ранние звезды существовали лишь несколько миллионов лет [1, c. 60].

Во время самого Большого взрыва были синтезированы лишь три элемента – водород, гелий и небольшое количество лития. Все другие элементы образовались внутри первых звезд. Материя нашего Солнца и всей Солнечной системы была уже переработана, вероятно, двумя предыдущими поколениями звезд. В период от 200 млн лет до 1 млрд лет после Большого взрыва образуются квазары, галактики, скопления галактик [2, c. 26].