Надо Знать

добавить знаний



Большой взрыв



План:


Введение

Большой Взрыв и постепенное расширение пространства

Большой взрыв ( англ. Big Bang Theory ) - Физико- космологическая теория, согласно которой Вселенная возникла из чрезвычайно плотного и горячего состояния примерно 13,7 миллиардов лет назад. Она основывается на экстраполяции в прошлое факта разбегания небесных тел за законом Хаббла и на модели Вселенной, предложенной Олексанр Фридманом.


1. Теоретические положения и импликации

Экстраполяция астрономических наблюдений в прошлое указывает на то, что Вселенная расширился из начального состояния, в котором вся материя и энергия имели огромное температуру и плотность. Физики не имеют единого взгляда на то, что именно предшествовало первоначальное состояние. Одной из возможных гипотез является гравитационная сингулярность.

Термин "большой взрыв" в узком смысле употребляется для обозначения момента во времени, когда началось расширение известного нам Вселенной, - по подсчетам это произошло около 13,7 миллиардов лет назад. В более широком смысле "большим взрывом" называют космологическую парадигму, объясняющую как расширение Вселенной, так и состав и образования первоначальной материи с помощью нуклеосинтеза.

Одним из последствий "большого взрыва" является то, что условия сегодняшней Вселенной отличаются от условий в прошлом и будущем. Исходя из этой модели, 1948 года Джордж Гамов качественно спрогнозировал существования космической микроволновой фоновой радиации, которую вскоре (в шестидесятых годах XX-го столетия) было обнаружено и которая стала подтверждением теории "Большого взрыва" в противовес теории стационарной Вселенной.

Объясняя немало результатов астрономических наблюдений, теория "большого взрыва" не дает ответа на все вопросы, связанные с эволюцией Вселенной: она неполное - и, безусловно, будет развиваться в дальнейшем.

Состав Вселенной согласно модели Лямбда-CDM

2. История

Теорию зарождения и эволюции Вселенной, которую сегодня называют "теорией большого взрыва", предложил 1931 года бельгийский аббат и астроном Жорж Леметр [1]. Зная о разбегания галактик, о чем свидетельствовали наблюдения Эдвина Хаббла, и независимо получив уравнения Фридмана, Леметр предположил, что разбегание галактик можно экстраполировать в прошлое, сведя все к единой точке, которую аббат называл "первичным атомом".

Название "большой взрыв" теории дал в выступлении по радио ее противник Фред Гойл : "big bang" означает английском языке скорее "большой бах" - именно так Гойл пренебрежительно охарактеризовал гипотезу Леметра. Однако выражение приобрел устойчивости и потерял исходное негативную окраску.

Hubble Ultra Deep Field представляет изображения галактик из эры, когда Вселенная была моложе, плотным и горячим согласно теории Большого взрыва.

3. Исходные положения

Теория Большого взрыва исходит из гипотезы единообразия законов физики во всей Вселенной, а также с космологического принципа, по которому Вселенная однородна и изотропная. Предположение однородности Вселенной может вызвать удивление, поскольку вещество в нем сосредоточено в звездах, где ее плотность очень велика в сравнении с межзвездным пространством, однако космология рассматривает Вселенную в таком масштабе, в котором можно пренебречь отдельными неоднородностями, и считать, что материя распределена достаточно однородно.

Большой взрыв не является взрывом в обычном смысле слова. Он не состоялся в какой-то определенной точке пространства: на протяжении всей эволюции от момента рождения Вселенной оставался согласно теории однородным и безграничным, одновременно расширяясь по сторонам.


4. Развитие событий

Панорамное изображение неба в инфракрасном диапазоне показывает распределение галактик за пределами Млечного Пути. Галактики обозначено цветом в соответствии с их красного смещения.

Современные представления о сценарии событий после "большого взрыва" заключаются в следующем.

О начальном состоянии Вселенной в момент Большого взрыва нельзя сказать ничего. Примерно после 10 -43 с ( время Планка) после зарождения начинается Планковских эпоха : в это время гравитация отделилась от других полей. Промежуток времени между 10 -43 и 10 -36 c называют эпохой великого объединения. В конце этой эпохи в состоянии Вселенной произошел фазовый переход, приведший к следующей инфляционной эпохи - времени чрезвычайно быстрого экспоненциального расширения. После инфляции (примерно 10 -34 с), в течение которой Вселенная расширился крайней мере в 10 26 раз, состоял из кварк-глюонной плазмы. Где-то в промежутке времени до 10 -31 с состоялся процесс, который называют бариогенезисом - нарушение симметрии, в результате которого в мире вокруг нас больше частиц, чем античастиц. Дальнейшее расширение до времен порядка 10 -11 с повлекло переход материи в состояние, о котором можно говорить уверенно, поскольку он изучается физикой высоких энергий. Во время примерно 10 -6 c в охлажденной при расширении кварк-глюонной плазмы начали образовываться барионы - протоны и нейтроны. Энергии этих частиц уже не хватало для рождения пар, поэтому началась массовая аннигиляция - уцелела только одна частица на 10 10, античастицы исчезли совсем. Через несколько минут после взрыва начался первичный нуклеосинтез с образованием более тяжелых багатонуклонних ядер. Нейтральные атомы стали образовываться примерно через 400 тыс. лет. Этот процесс сопровождался образованием реликтового излучения, поскольку в плазме электромагнитное поле неотрывно связано с заряженными частицами, а при образовании нейтральных частиц оно отделяется. Постепенно в однородном газе нейтрального вещества начали образовываться газовые туманности, а еще позже - галактики и отдельные звезды.


5. Будущее

Существует несколько сценариев эволюции Вселенной в будущем зависимости от параметров, в частности плотности. Проблема предсказания будущего осложняется тем, что результаты наблюдений последних десятилетий не совсем укладываются в стандартную модель Большого взрыва. Объяснение этих явлений, в частности плоской формы Вселенной, ускорения его расширения и т. п., можно дать, введя дополнительные параметры в теорию, предположив, что во Вселенной помимо обычной материи частиц и античастиц существует так называемая темная материя, к тому же ее даже больше, чем обычной, а также, что существует так называемая темная энергия.

В этих модификаций считалось, что при достаточной плотности вещества во Вселенной расширение прекратится, и он начнет сжиматься и разогреваться - процесс пойдет в обратном направлении. При недостаточной плотности Вселенная продолжать расширяться со все меньшей скоростью.

Данные спектрометра FIRAS обсерватории COBE, показывающие четкую корреляцию измеренного спектра реликтового излучения с моделью абсолютно черного тела, которое предполагается теорией Большого взрыва
Карта температур реликтового излучения, полученная в течение первого года работы WMAP.

6. Свидетельства в пользу теории Большого взрыва

Теория Большого взрыва опирается на "четыре экспериментальные столбы":

  1. Разбегания галактик за законом Хаббла, которое измеряется на основе красного смещения спектральных линий вследствие эффекта Доплера.
  2. Наличие реликтового излучения
  3. Распространенность химических элементов во Вселенной с преобладанием легких элементов: водорода и гелия.
  4. Крупномасштабный распределение и эволюция галактик, о которой свидетельствуют астрономические наблюдения.

7. Критика теории

Кроме теории Расширение Вселенной была также теория, что Вселенная является стационарным, то есть не эволюционирует и не имеет ни начала, ни конца во времени. Часть сторонников такой точки зрения отвергают расширение Вселенной, а красное смещение объясняют гипотезой о "старения" света. Однако, как выяснилось, эта гипотеза противоречит наблюдениям, например, наблюдается зависимость продолжительности вспышек сверхновых от расстояния до них [2] [3] [4]. Другой вариант, что не возражает расширения Вселенной, представлен теорией стационарной Вселенной Ф. Хойла. Она также плохо согласуется с наблюдениями [4].

В некоторых теориях инфляции (например, вечной инфляции) наша картина Большого взрыва, которую мы способны наблюдать, соответствует ситуации только в части Вселенной, которую мы можем наблюдать ( Метагалактике), но не одинакова для всей Вселенной.

Кроме того, в теории Большого взрыва не рассматривается вопрос о причинах возникновения сингулярности, или материи и энергии для ее возникновения, обычно просто постулируется ее безначальнисть. Считается, что ответ на вопрос о существовании и происхождении начальной сингулярности должна дать теория квантовой гравитации.

Есть также определенное число зафиксированных фактов, которые плохо согласуются с изотропности и однородности наблюдаемой Вселенной: наличие преимущественного направления вращения галактик [5] [6], неоднородности в распределении галактик на крупнейших доступных масштабах, ось зла.


7.1. Теория и религия

22 ноября 1951 Папа Римский Пий XII объявил, что теория Большого взрыва не противоречит католическим представлениям о сотворении мира [7] [8]. Консервативные протестантские христианские конфессии также приветствовали теорию Большого Взрыва, как такую, которая поддерживает историческую интерпретацию учения о творении [9]. Некоторые мусульмане стали указывать на то, что в Коране есть упоминание Большого взрыва [10] [11]. Согласно индуистским учением, у мира нет начала и конца, он развивается циклически [12] [13], однако в "Энциклопедии индуизма" отмечается, что теория напоминает, что все произошло от Брахмана, который "меньше атома, но больше самого" [14].


См.. также


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам