Проблемы теории Большого взрыва

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………3

1. Стандартный сценарий  Большого взрыва..………………………………...4

2. Был ли Большой взрыв?...................................................................................9

3. Современные теории  о дальнейшей эволюции Вселенной………………..11

4. Проблемы теории Большого  взрыва…………………………………………13

Заключение………………………………………………………………………19

Список литературы………………………………………………………………20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Проблемы  зарождения и существования Вселенной  занимали самого древнего человека. Небо, которое было доступно его обозрению, было для него очень интересно. Недаром  астрономия считается одной из самых  древних наук о природе. Не потерял  интереса к изучению проблем космоса  и современный человек, но он смотрит  глубже, его уже интересует не просто выяснение вопроса, что есть Вселенная? Современные ученые ищут ответы на следующие вопросы:

а) Что было, когда Вселенная  рождалась?

б) Как давно это было и как происходило?

в) Рождалась ли Вселенная  вообще или она глобально стационарна?

Для поиска ответов на эти  непростые вопросы в астрономии появилась новая отрасль –  космология. По определению А.Л. Зельманова (1913-1987) космология – это совокупность накопленных теоретических положений  о строении вещества и структуре  Вселенной, как цельного объекта, так  и отдельные научные знания охваченного  астрономическими наблюдениями мира как  части Вселенной. Космология стала  искать различные варианты ответов  на поставленные вопросы, выдвигать  различные теории и гипотезы. Так  появилась Теория Большого взрыва и  гипотезы, описывающие первые мгновения  рождения Вселенной, ее структуризацию и развитие.

Космология, как и любая  современная наука, сегодня бурно  живет и развивается, в большей  мере за счет «альтернативных теорий». Все это позволяет человечеству точнее понять сущность физических процессов, дает возможность ученым прогнозировать дальнейшую эволюцию Вселенной.

 

 

 

1. Стандартный  сценарий Большого взрыва

Нас интересуют события, которые  произошли, по разным оценкам, 13 – 20 млрд. лет назад (13 млрд. лет в соответствии с теорией «закрытого мира», а 20 млрд. лет по теории «Открытого мира»). Все  это время наша Вселенная, согласно теории Большого взрыва, постоянно  расширялась. В пролом же плотность  вещества должна было быть огромной. Согласно теории А. Фридмана следует, что плотность  могла быть бесконечно большой, хотя некоторые ученые называют некий  возможный предел значения плотности  вещества, примерно равный 10 97 кг/м 3.

Другим важным параметром является температура. Вопрос о том, холодной» или «горячей» была материя в ту эпоху, долгое время  оставался спорным. Решающие доказательства, что Вселенная была горячей, удалось  получить в середине 60-х годов. В  настоящее время большинство  космологов считает, что материя  в начале расширения Вселенной была не только сверхплотной, но и очень  горячей, а теория рассматривающая  физические процессы в начале расширения Вселенной получила название «теории  горячей Вселенной». Согласно этой теории, ранняя Вселенная представляла собой гигантский ускоритель «элементарных» частиц. Началом работы Вселенского ускорителя был Большой взрыв. Этот термин часто применяют современные космологи. Наблюдаемый разлет галактик и их скоплений – следствие Большого взрыва. Академик Я.Б. Зельдович назвал этот взрыв астрономическим, тем самым, подчеркнув его отличие от химического взрыва.

У обоих взрывов есть общие  черты, например, в обоих случаях  вещество после взрыва охлаждается  при расширении, падает и его плотность. Но есть и существенный отличия. Главное  состоит в том, что химический взрыв обусловлен разностью давлений во взрывающемся веществе и давлением  в окружающей среде (воздухе). Эта  разность давлений создает силу, сообщающую скорость частицам заряда взрывчатого  вещества. В астрономическом взрыве подобной разности давлений нет. Астрономический взрыв не начался из какого-то определенного центра, распространяясь на все большие области, а произошел сразу во всем существовавшем тогда пространстве. Представить себе это очень трудно, тем более что «все пространство» в начале взрыва могло быть как конечным (теория замкнутого мира), так и бесконечным (теория открытого мира).

В теории космологии приято эволюцию вселенной разделять на 4 эры:

а) адронная эра (начальная  фаза, характеризующаяся высокой  температурой и плотностью вещества, состоящего из элементарных частиц –  «адронов»);

б) лептонная эра (следующая  фаза, характеризующаяся снижением  энергии частиц и температуры  вещества, состоящего из элементарных частиц «лептонов». Адроны распадаются  в мюоны и мюонное нейтрино – образуется «нейтринное море»;

в) фотонная эра или эра  излучения (характеризуется снижением  температуры до 10 К, аннигиляцией электронов и позитронов, давление излучения  полностью отделяет вещество от антивещества);

г) звездная эра (продолжительная  эра вещества, эпоха преобладания частиц, продолжается со времени завершения Большого взрыва (примерно 300 000 лет  назад) до наших дней.

В нулевой момент времени  Вселенная возникла из сингулярности, то есть из точки с нулевым объемом  и бесконечно высокими плотностью и  температурой. Пытаясь объяснить  происхождение Вселенной, сторонники Большого взрыва сталкиваются с серьезной  проблемой, поскольку исходное состояние  Вселенной в разработанной ими  модели не поддается математическому  описанию. В их описаниях Вселенная  в начале представляла собой точку  пространства бесконечно малого объема, имевшую бесконечно большую плотность и температуру. Такое состояние вещества в принципе не может быть описано математически. На языке науки это явление получило название «сингулярности».

В течение первой миллионной доли секунды, когда температура  значительно превышала 10 12 К (по некоторым  оценкам до 10 14 К), а плотность  была немыслимо велика, происходили  неимоверно быстро сменяющие себя экзотические взаимодействия, недоступные пониманию  в рамках современной физики. Мы можем лишь размышлять, каковы были эти первые мгновения, например, возможно, что четыре фундаментальные силы природы были слиты воедино. Есть основания полагать, что к концу  первой миллионной доли секунды уже  существовал первичный «бульон» богатых энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества. Иными словами материя Вселенной  представляла собой электронно-позитронные  пары (е– и е+); мюонами и антимюонами (м – и м +); нейтрино и антинейтрино, как электронными (v e, v e), так и мюонными (v m, v m) и тау-нейтрино (v t, v t); нуклонами (протонами и нейтронами) и электромагнитным излучением. Эта самовзаимодействующая масса находилась в состоянии так называемого теплового равновесия.

В те первые мгновения все  имевшиеся частицы должны были непрерывно возникать (парами – частица и  античастица) и аннигилировать. Это  взаимное превращение частиц в излучение  и обратно продолжалось до тез  пор, пока плотность энергии фотонов  превышала значение пороговой энергии  образования частиц. Когда возраст  Вселенной достиг одной сотой  доли секунды, ее температура упала  примерно до 10 11 К, став ниже порогового значения, при котором могут рождаться  протоны и нейтроны, некоторые  из этих частиц избежали аннигиляции  – иначе в современной нам  Вселенной не было бы вещества. Через 1 секунду после Большого взрыва температура понизилась до 10 10 К, и  нейтрино перестали взаимодействовать  с веществом. Вселенная стала  практически «прозрачной» для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова, но примерно через 10 секунд уровень плотности энергии излучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение катастрофического процесса взаимной аннигиляции. По окончанию этого процесса, однако, осталось определенное количество электронов, достаточное, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.

Существует два основных взгляда на процесс формирования галактик. Первый состоит в том, что  в любой момент времени в расширяющейся  смеси вещества и излучения могли  существовать случайно распределенные области с плотностью выше средней. В результате сил тяготения эти  области сначала отделились в  виде очень протяженных сгустков вещества. В этих сгустках начался  процесс фрагментации, приведший  к образованию облаков меньших  размеров, которые позднее превратились в скопления и отдельные галактики, наблюдаемые сегодня. Далее в  этих меньших (по галактическим размерам) сгустках под действием сил тяготения  в случайных неоднородностях  плотности началось формирование звезд. Другая точка зрения дает другой сценарий: вначале из флуктуаций плотности  в расширяющемся первичном шаре сформировались многочисленные (малые) галактики, которые с течением времени  объединились в скопления, в сверхскопления и, возможно, в более крупные иерархические  структуры.

Главным в споре этих двух взглядов является ответ на вопрос, имел ли процесс Большого взрыва вихревой (турбулентный) характер или протекал более гладко. Признаков турбулентности в крупномасштабной структуре сегодняшней  Вселенной не наблюдается. Вселенная  выглядит удивительно сглаженной в  крупных масштабах, несмотря на некоторые  отклонения, в целом далекие галактики  и их скопления галактики распределены по всему небу равномерно, а степень  изотропности фонового излучения также  довольно высока. Все это заставляет признать, что Большой взрыв был безвихревым, упорядоченным процессом расширения.

В 1978 г., пытаясь найти  обоснование для наблюдаемого соотношения  фотонов и барионов (10 8 : 1) М. Рис  высказал предположение, что фоновое  излучение может быть результатом  «эпидемии» образования массивных  звезд, начавшейся сразу после отделения  излучения от вещества и до того, как возраст Вселенной достиг 1 млрд. лет. Продолжительность жизни  этих звезд не могла превышать 10 млн. лет, многим из них было суждено  пройти стадию сверхновых и выбросить  в пространство тяжелые химические элементы, которые частично собрались  в крупицы твердого вещества, образовав  облака межзвездной пыли. Эта пыль, нагретая излучением догалактических  звезд, могла, в свою очередь, испускать  инфракрасное излучение, которое в  силу его красного смещения, вызванного расширением Вселенной, наблюдается  сейчас как микроволновое фоновое  излучение.

Эта точка зрения не получила широкого признания, но в 1979 г. Д.П. Вуди и П.Л. Ричардс из Калифорнийского  университета опубликовали результаты наблюдений, указывающие на некоторые  отклонения характеристик микроволнового фонового излучения от кривой излучения  абсолютно черного тела. В том  же году М. Роуэн-Робинсон, Дж. Негропонте и Дж. Силк (Колледж королевы Марии, Лондон) указали, что отклонения обнаруженные Вуди и Ричардсом, может быть объяснено  излучением пылевых облаков, образовавшихся вслед за «эпидемией» массового  формирования звезд, что соответствует  теории М. Риса. Если эта новая теория соответствует истине, то это означает, что подавляющее количество всей массы Вселенной содержится в  невидимых остатках звезд первичного, догалактического, поколения и в  настоящее время может находиться в массивных темных гало, окружающих яркие галактики, которые мы наблюдаем  сегодня.

 

2. Был ли Большой  взрыв?

 

Академик Я.Б. Зельдович  писал по этому поводу в 1983 г.: «Теория  «Большого взрыва» в настоящий  момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Я бы даже сказал, что  она столь же надежно установлена  и верна, сколь верно то, что  Земля вращается вокруг солнца. Обе  теории занимали центральное место  в картине мироздания своего времени, и обе имели много противников, утверждавших, что новые идеи, заложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Но подобные теории не в состоянии  препятствовать успеху новых теорий».

На чем основана уверенность  академика Я.Б. Зельдовича в справедливости теории «горячей Вселенной»? Имеется  ряд данных, которые подтверждают теорию Большого взрыва. Во-первых, это данные о возрасте небесных тел. Мы знаем, что возраст Солнечной системы близок к 4,6 млрд. лет. Менее точно известен возраст самых старых звезд, скорее всего он близок к возрасту нашей и других галактик (10-15 млрд. лет). Следовательно, данные о возрасте небесных тел сопоставимы с данными о возрасте Метагалактики. Второе подтверждение состоит в том, что данные радиоастрономии свидетельствуют, что в прошлом далекие внегалактические источники радиоизлучения излучали интенсивней, чем сегодня, следовательно, эти источники эволюционируют. Когда сегодня мы наблюдаем мощный источник радиоизлучения, необходимо помнить о том, что перед нами его далекое прошлое, ведь сегодня радиотелескопы принимают волны, которые были излучены миллиарды лет назад. Факт, что радиогалактики и квазары эволюционируют, причем время их эволюции совпадает со временем существования Метагалактики, говорит в пользу теории Большого взрыва.

Третьим важным подтверждением рассматриваемой теории, является наблюдаемая  распространенность химических элементов  с тем соотношением гелия и  водорода (1/4 и 3/4 соответственно), которое  возникло во время первичного термоядерного  синтеза.

Главным же подтверждением теории Большого взрыва («горячей Вселенной») считается открытие реликтового  излучения. Для космологии это явление  имеет фундаментальное значение, сравнимое по значению с открытием  расширения Метагалактики.

В чем суть открытого реликтового  излучения? Так называемый «отрыв»  излучения от вещества происходил, когда температура в расширяющейся  Вселенной была порядка 3000-4000 К. В  ходе последующего расширения Вселенной  температура снижалась, но характер излучения (его спектр) сохранился до наших дней, напоминая о далекой  «молодости» Метагалактики. Советский  астрофизик И.С. Шкловский предложил  называть это излучение реликтовым. Теория предсказала существование  реликтового излучения. Теоретические  оценки температуры реликтового  излучения были даны в 40-50 г.г. в работах  Г.А. Гамова, а затем его учеников Р. Альфреда и Р. Германа. В 1964 г. советские  астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич впервые выполнили конкретные расчеты интенсивности излучения  различных объектов: звезд, межзвездной  пыли, галактики и т.д.

В конце 60-х годов группа американских ученых во главе с Р. Дикке приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение. Но их опередили  А. Пензиас и Р. Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую премию за открытие микроволнового фона (это официальное  название реликтового излучения) на волне 7,35 см.