Эволюция Вселенной

 
 
 

      РЕФЕРАТ

      по  дисциплине «Концепции современного естествознания»

      Тема: «Эволюция Вселенной» 
 

                                                                         
 
 
 
 
 
 

      Пермь 2011

 

      Содержание

      стр.

Введение  …………………………………………………………………………3

1. Образование элементарных частиц во Вселенной.

Разделение 4 видов физических взаимодействий………………………...…….4

2. Нуклеосинтез, образование атомов водорода и гелия

во Вселенной ……………………………………………………………..…….…7

3. Образование  звёзд и галактик.

Образование химических элементов..…………………………………………...8

4. Будущее Вселенной……………………………………..…………….………10

Список литературы………………………………………………………………11

Глоссарий ………………………………………………………………………12 
 
 
 

 

    Введение

      По  современным представлениям, наблюдаемая  нами сейчас Вселенная возникла около 15 миллиардов лет назад из некоторого начального "сингулярного" состояния с бесконечно большими температурой. Процесс возникновения Вселенной описывает Теория Большого  Взрыва. Основными экспериментальными основаниями данной теории являются следующие три:

      1) Наблюдаемое "разбегание" далеких галактик, подчиняющееся закону Хаббла

      2) Открытие в 1964 году Р. Пензиасом  и А. Вильсоном космического  фона "реликтового излучения", по интенсивности и спектральному  составу эквивалентного излучению  черного тела с температурой  около 3 K (градусы Кельвина).

      3) Наблюдаемый химический состав  Вселенной, состоящей приблизительно  из 3/4 (по массе) водорода и 1/4 гелия с небольшой (порядка  одного процента) примесью прочих  элементов.

      Есть  ряд вопросов, на которые теория Большого Взрыва ответить пока не может, однако основные ее положения обоснованы надежными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа - порядка сотой доли секунды от "начала мира". Для теории важно, что эта неопределенность на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.

      Как же  возникла и эволюционировала Вселенная?

 

1. Образование элементарных  частиц во Вселенной. Разделение 4 видов физических взаимодействий.

      Около 15 млрд лет тому назад Вселенная представляла собой сгусток энергии, сконцентрированный в одной исходной точке, теоретический размер которой равен нулю. Другие физические величины, такие как температура, давление, плотность энергии и т.д., в этой точке должны быть бесконечно большими. Такая ситуация называется сингулярностью, и, чтобы хоть немного отступить от нулевого «момента неопределенности», модельное описание взрывоподобного рождения Вселенной начинают с некоторого минимального момента времени после взрыва. Его называют временем Планка, т.к. именно Макс Планк предложил для него расчёт из скорости света с, постоянной Планка ћ, гравитационной постоянной G:

    t_pl =  (Gћ/c⁵)^1/2 ≈ 5,4 * 10^-44 с.

      В момент времени Планка t_pl размеры только что рожденной Вселенной не превышают нескольких микрон. Её температура Т= 10³² К пока настолько высока, что весь мир еще абсолютно симметричен, все известные основные взаимодействия (гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное) еще слиты в единую силу, и ни одна из частиц еще не имеет массы. Вселенная представляет собой идеальный газ безмассовых (т.е. виртуальных, еще не материализовавшихся) частиц в состоянии термодинамического равновесия.

      Чуть  позже планковского времени произошло  первое нарушение всеобщей симметрии, и первоначальная сила разделилась на гравитацию (за нее отвечает частица гравитино) и остальные три взаимодействия, которые пока связаны вместе.

        Когда с момента Большого Взрыва  прошли примерно 10^-36 с и тепловая энергия снизилась до значения 10²⁴ эВ при размерах Вселенной порядка 10 см, симметрия нарушилась и первые из частиц – Х- и Y-бозоны - приобрели массы. Но практически сразу они распадались на кварки (будущий «материал» для протонов и нейтронов) и лептоны (частицы, участвующие в слабом взаимодействии, - нейтрино, электроны, мюоны, тау, и их античастицы) и таким образом первыми «выпали» из термодинамического равновесия. Итак, на этом этапе сильные (ядерные) взаимодействия заработали отдельно от еще неразделенных электрослабых (электромагнитных и слабых) взаимодействий.

      В период 10^-36 - 10^-10 с Вселенная состояла из смеси пока безмассовых кварков и лептонов, а также фотонов, возникших при взаимной аннигиляции электронов и позитронов, следующего (более легкого) поколения Z- и W-бозонов, ответственных за слабое взаимодействие, и других гипотетических (суперсимметричных) частиц, например нейтралино. В это время все частицы, включая нейтрино, находились в почти полном равновесии между собой, т.е. рождение частиц балансировалось их аннигиляцией. Вселенная тогда, как и в настоящее время, содержала намного больше фотонов, чем кварков.

      Через 10^-10 с Вселенная остыла до температуры 10¹⁵ К и достигла уже более внушительного размера - около миллиарда километров. В этот момент произошло спонтанное нарушение еще одной симметрии, объединявшей слабые и электромагнитные взаимодействия. Теперь все четыре основные взаимодействия стали самостоятельными, безмассовые ранее частицы приобрели свои массы покоя, а из состояния термодинамического равновесия вышли промежуточные бозоны.

      После 10^-6 с, когда средняя энергия упала до 10⁹ эВ (Т = 10¹³ К, размер Вселенной порядка 10¹¹ км), из кварков начали формироваться мезоны, затем стабильные протоны и относительно стабильные нейтроны. Протоны и нейтроны носят общее название – барионы, поэтому обычную (состоящую из атомов и молекул) материю называют барионной, чтобы отличать ее от небарионной (состоящей из других имеющих массу частиц) материи. При снижении средней энергии до 3 * 10⁸ эВ должны были приобрести массы гипотетические частицы аксионы, которые могут составлять некоторую часть небарионной материи, а для образования новых барионов уже не хватало энергии, и они начали превращаться в фотоны за счет аннигиляции со своими античастицами. Не смотря на это материальный мир существует потому, что число частиц несколько превышало число античастиц и аннигиляция не могла быть полной. Этот небольшой излишек «выживших» барионов и есть вся барионная материя сегодняшней Вселенной.

      Появившиеся в результате аннигиляции частиц и античастиц фотоны к настоящему времени остыли до температуры 2.7 К и присутствуют во Вселенной в виде космического микроволнового фона или, другими словами, - реликтового излучения, впервые зарегистрированного в 1964 г. Из сравнения их числа с количеством барионов в современной Вселенной следует, что после аннигиляции осталась только одна миллиардная часть от первоначальных барионов.

      Примерно через 1 с после Большого Взрыва ( Т = 10¹⁰ К, размер Вселенной увеличился до 10¹⁴ км, или 10 световых лет) плотность частиц снизилась до такого значения (≈100000 г/см³), при котором взаимодействия с участием нейтрино становятся настолько редкими, что они не могут больше находиться в термодинамическом равновесии с другими частицами. Эти нейтрино начинают жить своей независимой жизнью, свободно двигаясь по Вселенной (нейтринное реликтовое излучение). Если нейтрино имеет нулевую массу покоя, то такое излучение должно иметь температуру всего 2 К, а при ненулевой массе нейтрино (≈2*10^-33 г) и энергии порядка 10 эВ их температура будет выше абсолютного нуля всего на несколько тысячных градуса. По этой причине, а также из-за очень малой вероятности взаимодействия нейтрино с веществом, нейтринное реликтовое излучение до сих пор не зарегистрировано.

      Еще через несколько секунд, при энергиях ниже миллиона эВ, перестали образовываться электроны и позитроны. Те же, что  уже были, почти полностью уничтожились за счет аннигиляции, осталось ровно столько электронов, сколько до этого сохранилось протонов, - чтобы сбалансировать их  положительный  электрический заряд и оставить Вселенную (как и в самом исходном состоянии) электрически нейтральной. 

      2. Нуклеосинтез, образование  атомов водорода и гелия во Вселенной

      Через 100 с после Большого Взрыва ( Т = 10⁹ К, и размеры Вселенной достигли сотен световых лет) протоны и нейтроны начали сливаться в легчайшие ядра водорода Н, дейтерия D, гелия ³Не, ⁴Не. Этот процесс называется первичным нуклеосинтезом, а относительная распространенность в космосе легчайших ядер, которая с достаточно высокой точностью измеряется сегодня, служит хорошим доказательством модели Большого Взрыва. Ядра атомов водорода и гелия возникали в ходе реакций термоядерного синтеза.  Начальным источником энергии для этих реакций служила кинетическая энергия сближающихся частиц звёзд, находящихся в фазе гравитационного сжатия. Раз начавшись, термоядерная реакция продолжала протекать в звезде за счёт выделения термоядерной энергии. Образование ядер атомов водорода и гелия описывают следующие реакции:

      р + р → d + е⁺ + ύ

      е⁺ + е^- → 2ý

      р + d → ³Не + ý

      ³Не + ³Не → ⁴Не + 2р

      Итог:  4р → ⁴Не + 2 е⁺ + 2ý; где р – протон (ядро атома водорода ¹₁Н); d  - дейтрон (ядро атома водорода ²₁Н); е⁺ - позитрон; е^- - электрон; ύ - нейтрино ý – гамма-квант; ³Не и ⁴Не – изотопы атомов гелия¹.

      И только спустя 300 000 лет, когда температура  упала до 10 000 К и диаметр Вселенной  достиг размеров десятков миллионов  световых лет (10²⁰ км), ядра стали окружаться электронными оболочками и возникли первые легкие атомы водорода и гелия. Поскольку средняя энергия к тому времени снизилась до нескольких эВ, энергии фотонов уже не хватало для разрушения атомов, и излучение в виде фотонов отделилось от материи, продолжая остывать (именно отсюда отсчитывает свою историю реликтовое излучение). До этого фотоны в процессе интенсивного взаимодействия с другими частицами, а затем и атомами, теряли энергию, и Вселенная, если бы на нее кто-то мог взглянуть со стороны, не светилась, т.е. была невидимой. Теперь же Вселенная стала прозрачной, или видимой. 

      3. Образование звёзд  и галактик.

      Образование химических элементов

      Когда температура снизилась до 3000 К, гравитационное притяжение между молекулами начало превосходить их взаимное отталкивание за счет теплового движения. Гравитация, действуя на случайные флуктуации плотности в пространственном распределении молекул (в основном водорода и гелия), стала стягивать материю, формируя первоначальные крупномасштабные структуры и группирования - протогалактики, на основе которых позднее (через сотни миллионов лет после Взрыва при температуре в сотни К) стали образовываться звезды и звездные скопления - галактики. Первые звезды состояли практически только из водорода и гелия в виде горячей плазмы с температурой в центральной части, достаточной для протекания термоядерных реакций, в результате которых образовывались более тяжелые элементы - вплоть до железа. Вот некоторые примеры таких реакции:

      ⁴Не + ⁴Не → ⁸Ве

      ⁴Не + ⁸Ве → ¹²С + 2 ý

      ⁴Не + ¹²С → ¹⁶О + ý