Теория Большого взрыва. Глобально-космическая эволюция. Выполнил: Грузиннова М.В. Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Российский Университет Дружбы Народов имени Патриса Лумумбы»
У всего, что нас окружает, есть прошлое: у человечества, у растительного и животного мира, у атмосферы и океанов, у суши и у самой планеты Земля. Солнце немного старше Земли, а Галактика значительно старше Солнца. Значит, и у Земли, и у Солнца есть своё прошлое. Есть оно и у Галактики, которая появилась примерно 10–14 миллиардов лет назад. Казалось бы, всё просто и ясно, но если копнуть глубже, то простое и ясное сменяется непонятным, загадочным, таинственным...
Большой взрыв это не взрыв, который мы видим на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все большее и большее пространство, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство. «В начале Бог сотворил небеса и землю». Проблема объединения физики и веры заключается в том факте, что этот всемогущий всезнающий бог раскрывает себя через Священные Писания и творение, в то время как физика всего большого взрыва раскрывается через достоверные и интерпретируемые доказательства.
Около 18 миллиардов лет назад произошел Большой взрыв, в результате которого возникла Вселенная. Осколки разлетелись в разные стороны с неимоверной скоростью и по-прежнему летят в виде галактик. В этом случае нет какого-то объекта типа Земли, которая притягивала к себе шарик, но есть гравитационное взаимодействие всех галактик. Это притяжение замедляет расширение Вселенной, в результате чего замедляется и разбегание галактик. Наиболее удаленные по расстоянию, а значит, и по времени, замедляются больше всего.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Большой взрыв — космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной: начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.
Основой модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом взрыве, который привел к возникновению нашего мира. Начальное состояние Вселенной называется сингулярной точкой (сингулярностью), когда она имела бесконечно малые размеры, но бесконечные большие значения плотности, энергии и температуры, бесконечную кривизну пространства.
Точку отсчета времени жизни эволюционирующей Вселенной начинается с момента, когда произошел "Большой Взрыв» и внезапно нарушилось состояние сингулярности. По мнению большинства исследователей, современная теория "Большого Взрыва" в целом довольно успешно описывает эволюцию Вселенной, начиная примерно с 10-44 секунды после начала расширения. Слабым единственным звеном в этой прекрасной теории считают проблему Начала - физического описания сингулярности. Ученые сходятся во мнении, что первоначальная Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить и воспроизвести на Земле. Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и высокого давления в сингулярности, в котором была сосредоточена материя. Время эволюции Вселенной оценивается примерно в 20 млрд. лет. Теоретические расчеты показали, что в сингулярном состоянии ее радиус был близок к радиусу электрона, т.е. она была микрообъектом ничтожно малых масштабов. Предполагается, что здесь начали сказываться характерные для элементарных частиц квантовые закономерности.
Теория большого взрыва - общепринятая космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной, а именно — начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в с ингулярном состоянии. Обычно сейчас автоматически сочетают теорию Большого взрыва и модель горячей Вселенной, но эти концепции независимы и исторически существовало также представление о холодной начальной Вселенной вблизи Большого взрыва Именно сочетание теории Большого взрыва с теорией горячей Вселенной, подкрепляемое существованием реликтового излучения, и рассматривается далее.
ХРОНОЛОГИЯ СОБЫТИЙ Эпоха сингулярности ( Планковская эпоха) Эпоха инфляции Эпоха охлаждения Иерархическая эпоха
ЭПОХА СИНГУЛЯРНОСТИ ( Планковская эпоха ) ЭПОХА ИНФЛЯЦИИ Через 10 −42 секунд после Большого взрыва произошло экспоненциальное расширение Вселенной ( Космическая инфляция ). После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк- глюонную плазму. Температура упала до значений, при которых стал возможен бариогенезис (кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны). Доминирование материи над антиматерией. Самый ранний из периодов эволюции Вселенной. Длительность: от 0 до 10 -43 секунды Температура: примерно 10 32 К ( Планковская температура ). Плотность : около 10 93 г/см³ ( Планковская плотность ). В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа (применительно к элементарным частицам). В период времени от нуля до 10 −43 секунд после Большого взрыва - рождение Вселенной из сингулярности. Низкая температура Вселенной (1028 К) привела к разделению электромагнитных сил (сильное взаимодействие) и слабого ядерного взаимодействия (слабого взаимодействия). Гравитационное излучение отделилось от вещества.
ЭПОХА ОХЛАЖДЕНИЯ ИЕРАРХИЧЕСКАЯ ЭПОХА Дальнейшее падение температуры привело к образованию физических сил и элементарных частиц. Наступил нуклеосинтез : протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. Гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии). Материя стала прозрачной для излучения Материя начала объединяться в звезды, планеты, галактики, галактические скопления, а также галактические сверхскопления, разделенные межгалактическими перемычками, содержащими всего лишь несколько галактик.
В 1929 г было получено и экспериментальное подтверждение разбегания материи во Вселенной. Это сделал американский ученый Э. Хаббл, определив наличие так называемого красного смещения в спектрах галактик. Причем, чем дальше галактика, тем смещение оказывалось больше, что говорило о том, что дальние галактики разбегаются быстрее. Если материя разбегается, то значит раньше, она была в более плотном состоянии. Т.е. однажды мир возник из эдакого Большого Взрыва. Эволюция космологических моделей В 1922 г. советский математик и геофизик А.А. Фридман первым получил решение уравнений А. Эйнштейна, описывающее расширяющуюся Вселенную. В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр связал расширение пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной в результате Большого взрыва. В 1929 году американский астроном Э.П. Хаббл установил, что все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, то есть система галактик расширяется. Таким образом, предсказанное Фридманом расширение Вселенной считается научно установленным фактом.
Можно указать три разные модели, для которых выполняются оба фундаментальных предположения Фридмана. В модели первого типа (открытой самим Фридманом) Вселенная расширяется достаточно медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого галактики начинают приближаться друг к другу, и Вселенная начинает сжиматься. На рис. 1 показано, как меняется со временем расстояние между двумя соседними галактиками. Оно возрастает от нуля до некоего максимума, а потом опять падает до нуля. В модели второго типа расширение Вселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение хоть и замедляет расширение, не может его остановить. На рис. 2 показано, как изменяется в этой модели расстояние между галактиками. Кривая выходит из нуля, а в конце концов галактики удаляются друг от друга с постоянной скоростью. Есть, наконец, и модель третьего типа, в которой скорость расширения Вселенной только-только достаточна для того, чтобы избежать сжатия до нуля (коллапса). В этом случае расстояние между галактиками тоже сначала равно нулю (рис. 3), а потом все время возрастает. Правда, галактики «разбегаются» все с меньшей и меньшей скоростью, но она никогда не падает до нуля.
Согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра — средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого (известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнётся обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные наблюдательные данные показывают, что средняя плотность в пределах экспериментальной погрешности (доли процента) равна критической.
Также в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл открыл так называемое красное смещение или, иначе говоря, заметил, что свет далеких галактик несколько краснее ожидаемого, т. е. их излучение смещается в красную сторону спектра. Еще раньше было установлено, что когда некое тело удаляется от нас, то его излучение смещается в красную сторону спектра (красное смещение), а когда оно, наоборот, приближается к нам, то его излучение смещается в фиолетовую сторону спектра (фиолетовое смещение). Таким образом, открытое Хабблом красное смещение свидетельствовало в пользу того, что галактики удаляются от нас и друг от друга с огромными скоростями, т. е., как то ни удивительно, в настоящее время Вселенная расширяется, причем одинаково во всех направлениях, то есть взаимное расположение космических объектов не меняется, а изменяются только расстояния между ними. Точно так же, как не меняется расположение точек на поверхности воздушного шара, но меняются расстояния между ними, когда его надувают. Но если Вселенная расширяется, то обязательно возникает вопрос: а какие же силы сообщают разбегающимся галактикам начальную скорость и дают необходимую энергию. Современная наука предполагает, что исходным моментом и причиной нынешнего расширения Вселенной был Большой взрыв. Другим косвенным подтверждением гипотезы Большого взрыва является открытое в 1965 году реликтовое излучение (лат. relictum - остаток) Вселенной. Это излучение, остатки которого доходят до нас из того далекого времени, когда ни звезд, ни планет еще не было, а вещество Вселенной было представлено однородной плазмой, которая имела колоссальную температуру. Таким образом, раньше Вселенная была намного более теплой, чем в настоящее время. Причиной столь высокой ее температуры в отдаленном прошлом мог быть Большой взрыв. Однако идея о нем продолжает оставаться гипотезой и ждет своего подтверждения или опровержения от будущих научных исследований.
Реликтовое излучение — решаюший аргумент в пользу теории Большого взрыва. Свечение реликтового излучения даёт нам понять очень многие вещи, в том числе и зарождение галактик и скоплений галактик. Дело в том, что сначала Вселенная была абсолютно однородной. Но в процессе расширения небольшие начальные возмущения плотности стали усиливаться благодаря гравитационному самопритяжению, подобно тому, как планета притягивается к Солнцу, камень падает на землю. Сила гравитации заставляет эти неоднородности становиться ещё плотнее. Так образовались галактики и скопления галактик, звёзды и планеты.
Глобально-космическая эволюция. В последнее время в науке под действием глобальных факторов и процессов происходит совершенно новая глобальная революция, которая существенно отличается от предыдущих, уже выявленных ранее, даже тем, что термин «глобальный» здесь используется как в качественно-содержательном, так и в пространственно-географическом и пространственно-космологическом значениях. Рассматриваются два встречных вектора движения в познании феномена глобальности: одно из космоса к видению глобальных характеристик и целостности человечества и планеты, а другое – с самой планеты, из локальных мест проживания людей в направлении к глобальным границам и далее – во внеземные просторы. Существующие классификации наук можно дополнить этим дихотомическим делением, на которое указал ещё В.И. Вернадский. Авторы полагают, что со второй половины прошлого века и с начала нынешнего темпорально -линейное « революционное движение » науки в целом не прекращается, но всё больше уступает место имеющему общенаучно -интегративную природу « мультиреволюционному взрыву». Это не только междисциплинарное объединение глобальной и космических революций в единое целое в науке, но и иные проявления поли- и междисциплинарности в составе и содержании научных революций. Суть этого комплексно-интегративного научного феномена заключается в появлении почти в один и тот же исторический период не одной «очередной » научной революции, а одновременно по историческим масштабам времени целого их «куста» или комплекса. К глобально-космической революции в науке добавляются информационно-кибернетическая революция, экологическая революция, темпоральная революция (прежде всего процесс футуризации ) и ряд других универсально-глобальных революций в науке, создающих когнитивную основу становления будущей сферы разума – ноосферы, идею которой в нашей стране предложил и развил В.И. Вернадский.
Вселенная - это самая большая материальная система из всех возможных. По современным научным представлениям она эволюционировала от простейшего состояния к все более сложному, прошла в своей самоорганизации огромное количество этапов. Наиболее крупными вехами космической эволюции были следующие. 20 миллиардов лет назад произошел Большой взрыв в результате которого, условно говоря, из «ничего» родилось «нечто». Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселенная имела температуру порядка 100 миллиардов градусов. При такой температуре (которая выше температуры центра самой горячей звезды) ни молекулы, ни атомы, ни даже ядра атомов существовать не могут. Поэтому вещество Вселенной пребывало в виде появившихся в результате Большого взрыва элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны. Плотность вещества Вселенной спустя одну сотую секунды после взрыва была колоссальной - в 4 миллиарда раз больше, чем у воды. В конце первых трех минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 миллиарда градусов. При этой все еще очень высокой температуре, но уже не такой большой как сразу после взрыва, стало возможным образование из элементарных частиц ядер атомов. В большинстве своем это были ядра водорода и гелия.
Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино (то есть - из разрозненных элементарных частиц). И только через несколько сотен тысяч лет начали образовываться первые атомы, главным образом, атомы водорода и гелия, которые образовали водородно-гелиевую плазму. Как уже говорилось, в 1965 году было обнаружено так называемое реликтовое излучение Вселенной, представляющее собой излучение горячей плазмы, сохранившееся с того времени, когда звезд и галактик еще не было. В то время Вселенная была умеренно нагретой плазмой (с температурой около 4000 градусов), заключенной в небольшой области с радиусом в 15 миллионов световых лет. Мы говорим «небольшой», потому что ныне расстояние до самой удаленной из наблюдаемых галактик исчисляется 10 миллиардами световых лет. Из этой простейшей плазмы, являвшейся смесью водорода и гелия в процессе эволюции возникло все многообразие Вселенной. С течением времени под действием гравитационных и электромагнитных сил первоначально почти однородная плазма распалась на огромные сгустки, из которых в дальнейшем образовались галактики и их скопления. Появление галактик произошло приблизительно 19-17 миллиардов лет назад. Примерно 15 миллиардов лет назад появились звезды, а также атомы других элементов (помимо водорода и гелия). Около 5 миллиардов лет назад родилось Солнце. Земля образовалась примерно 4,6 миллиарда лет назад. Приблизительно 3,8 миллиарда лет назад на нашей планете зародилась жизнь. Около 450 миллионов лет назад появились растения, а 150 миллионов лет назад - млекопитающие животные. Примерно 2 миллиона лет назад начался антропогенез (греч. anthropos - человек и genesis - происхождение) - эволюция человека. Приблизительно 40 тысяч лет назад, как мы уже знаем, появился человек современного типа или Homo Sapiens.
Заключение Большой взрыв происходил во всех точках пространства одновременно и синхронно, нельзя указать на какую-либо точку как на центр взрыва, в пространстве нет крупномасштабных градиентов давления и плотности и нет никаких границ или фронтов, отделяющих расширяющееся вещество от пустоты. Большой взрыв следует представлять как расширение самого пространства вместе с содержащейся в нём материей, которая в среднем в каждой данной точке покоится.
Литература Естественнонаучная картина мира (Часть 2)/ науч. ред. Н. А. Сахибуллин. – Казань: Отечество, 2011. Ровинский Р.Е. Развивающаяся Вселенная. М. 1995. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. М.: Наука, 1994.
