Головна

Основи космології і космогонії. Концепція Великого вибуху

  1.  I. Основи молекулярно-кінетичної теорії
  2.  LISA - що було до Великого вибуху?
  3.  Lt; variant> ?леуметтік те?дік концепціяси
  4. " Мені нема чого сказати "Підривник. Відкрий, щиро поцікавившись її думкою про що-небудь.
  5.  V. ЗАБУТІ ОСНОВИ
  6.  А. Основи християнського життя
  7.  Адміністративно-правові основи діяльності виконавчої влади в галузі культури.

Космос - на побутовому і технічному рівні - навколишній Землю простір з планетами, зірками. Але ми все більше повертаємося до первісного змісту давньогрецького слова космос (грец. ??????- світ, Всесвіт) - світ, як структурно організоване ціле, гармонія, порядок. У такому розумінні космос - протилежність на землі, а протилежність безладу, хаосу.

Космологія (грец. ????? - вчення) - наука про Всесвіт як єдине ціле і про охопленої спостереженнями частини Всесвіту.

Космогонія (грец. ???? - народження) - наука про походження та розвиток Всесвіту і космічних об'єктів.

У 1922-24 рр. А. А. Фрідман (сов.) На основі загальної теорії відносності показав, що Всесвіт, заповнена тяжіє матерією у вигляді речовини та поля, повинна бути нестаціонарної, тобто розширюватися або стискатися.

У 1929 році Е. Хаббл (амер., Відомий також тим, що перший виявив іншу галактику - нею виявилася раніше відома туманність Андромеди) відкрив, що спектральні лінії в випромінюванні зірок зрушені в бік більших довжин хвиль (до червоного кінця спектра) в порівнянні з лініями в спектрі випромінювання нерухомих речовин (явище червоного зсуву). Відомо, що якщо джерело випромінювання рухається, то сприймається спостерігачем довжина хвилі зменшується (джерело наближається), або збільшується (джерело віддаляється). Цей ефект називається ефектом Х. Доплера (австр.) І ми його помічаємо, слухаючи звук гудка проходить повз нас поїзда.

Так як довжина хвилі випромінювання зірок, які спостерігаються у всіх напрямках, збільшується і тим більше, чим більше відстань до зірки, то, отже, Всесвіт на даному етапі розширюється.

Характеристика червоного зсуву:  , де  - Довжини хвиль спектральної лінії, випущеної рухомими і нерухомими джерелами.

якщо  , То швидкість руху зірки  , І, узагальнюючи результати спостережень, Хаббл встановив, що

 , (4.1)

де r - Відстань до зірки, H - Постійна Хаббла.

За сучасними даними

H= 50 ? 100 км / (с · Мпк) = (1.62 ? 3.24) · 10-18 с-1, (4.2)

де 1 Мпк = 106 пк - мегапарсек, а парсек - відстань до точки, з якої радіус земної орбіти, перпендикулярний лінії спостереження, видно під кутом (параллаксом), рівним однієї кутової секунді 1?.

В астрономії і космології, крім пса, використовують такі одиниці довжини, як астрономічна одиниця (а.о.) - відстань між центрами Землі і Сонця, і світловий рік (св.г.) - відстань, яку проходить у вакуумі світлом за 1 рік. Зв'язок цих величин один з одним і основною одиницею довжини системи СІ - метром, така:

1 а.о. = 149.5 млн. Км = 149.5 · 109 м,

1 св.г. = 63 290 а.о. = 9.5 трлн. км = 9.5 · 1015 м,

1 пк = 3.26 св.г. = 206 265 а.о. = 3.09 · 1016 м.

Із закону Хаббла (4.1) випливає, що  , Тобто величина  , Що має розмірність часу, характеризує час «розбігання» зірок на відстань r зі швидкістю  , Тобто вік Всесвіту за умови, що швидкість і постійна Хаббла не залежать від часу. При зазначеному інтервалі значень постійної Хаббла (4.2) вік Всесвіту  становить від 9,8 млрд. років до 19,6 млрд. років; при середньому значенні постійної Хаббла H= 75 км / (с · Мпк) отримуємо  = 13,1 млрд. Років.

Щоб охарактеризувати розширення Всесвіту, використовують або так званий масштабний фактор  , Наприклад, відстань між двома певними галактиками, або кривизну Всесвіту, назад пропорційну квадрату масштабного фактора (кривизна ~  ).

Найважливішим в теоретичної космології є припущення (космологічний постулат) про незмінність властивостей Всесвіту в усіх точках і в усіх напрямках, тобто про її однорідності і ізотропності.

За теорією Фрідмана можливі два варіанти (сценарії) еволюції Всесвіту:

- Кривизна простору позитивна, Всесвіт кінцева, але безмежна, її розширення повинно сповільнитися і змінитися стисненням (замкнута модель Всесвіту);

- Кривизна простору негативна (в межі при  дорівнює нулю), Всесвіт нескінченний і постійно розширюється (відкрита модель Всесвіту).

Обидві моделі ілюструються графіками на рисунку 4.1.

 
 


Малюнок 4.1 - Залежності масштабного фактора R (Суцільна лінія) і кривизни простору (пунктир) від часу t для замкнутої (а) і відкритою (б) моделей Всесвіту.

Вибір тієї чи іншої моделі залежить від співвідношення середньої щільності  матерії у Всесвіті і так званої критичної щільності

 , (4.3)

де G= 6.67 · 10-11 м3/ (Кг · с2) - Гравітаційна постійна.

при  світ замкнутий, при  відкритий. За вказаною інтервалу значень H знаходимо, що

 = (4.7 ? 18.8) · 10-27 кг / м3,

а за сучасними астрономічними даними

 = (0.1 ? 10) · 10-27 кг / м3,

тобто сказати, замкнута або відкрита Всесвіт, ми зараз ще не можемо.

Не можна дати відповідь і на питання про вік Всесвіту. При постійній швидкості розширення він становив би, як показано вище, ~ 13 млрд. Років, але за обома сценаріями еволюції Всесвіту раніше розширення йшло швидше, тобто вік Всесвіту повинен бути менше. при  8,7 млрд. Років, а при  ще менше.

Постає питання про ранні стадії еволюції, коли розмір Всесвіту наближався до нуля.

У 40-х рр. Г. Гамов (амер.), Запропонував стала потім (з 60-70 рр.) Загальноприйнятою модель «гарячої» (на початковому етапі) розширюється і при цьому остигає ізотропного Всесвіту, що виникла в результаті Великого Вибуху.

Аналіз процесу розширення Всесвіту сучасна наука починає з так званих планковского часу і довжини

 ~ 10-44 з і  ~ 10-35 м,

де  = 1.05 · 10-34 Дж · с - постійна Планка h, Поділена на  , Так як є підстави вважати, що и  є найменшими неподільними відрізками (квантами) часу і довжини і для менших проміжків часу і довжини неможливі або втрачають сенс всі поняття і закони сучасної науки.

при  щільність речовини прагнула до нескінченності, а температура була порядку планковской температури  1.2 · 1032 До, під час якої енергія теплового руху частинок  (З молекулярної фізики відомо, що ~  , де k= 1.38 · 10-23 Дж / К - постійна Больцмана) була настільки велика, що її вистачало на народження при зіткненнях елементарних частинок з колосальною енергією спокою  1 · 1028 еВ = 1019 ГеВ і дуже великий для частинок масою спокою  18.4 · 10-6 г, невідомих сучасній науці.

До моменту  0.01 с (завершення періоду дуже ранньому Всесвіті) середня щільність матерії повинна була знизитися до ~ 1013 кг / м3, А температура знизитися настільки, що в результаті розпаду масивних частинок утворилася суміш електронів, позитронів, нейтрино і антинейтрино, фотонів з домішкою нуклонів (протонів і нейтронів). При подальшому розширенні і охолодженні енергія теплового руху нуклонів стала менше енергії їх зв'язку в ядрі і утворилася суміш ядер водню 1H1 і гелію 2He4 в співвідношенні 2: 1 по масі або приблизно 10: 1 за кількістю частинок на користь водню. Для утворення атомів температура була ще занадто велика і суміш електронів і ядер представляла собою високотемпературну плазму.

Освітою саме ядер водню і гелію на ранніх стадіях еволюції пояснюється їх величезна перевага в сучасному Всесвіті: вони складають приблизно 99,9% маси всього речовини.

Приблизно через 1 млн. Років після Великого Вибуху енергія теплового руху частинок знизилася до енергії зв'язку електронів і ядер в атомах, і утворилися атоми водню і гелію. Оскільки плазма непрозора, а атомарні гази прозорі для електромагнітного випромінювання (фотонів), то з цього часу фотони, що виникли на ранніх стадіях, отримали можливість вільно поширюватися у Всесвіті і повинні були б досі створювати изотропное (однакове в усіх напрямках) випромінювання, виявлення якого підтвердило б вірність даної теорії.

У 1965 р А. Пензиас і Р. Вільсон (амер., Нобелівська премія 1978 г.) виявили це так зване реліктове випромінювання, яке виявилося майже ізотропним і за своїм спектру відповідає тепловому випромінюванню абсолютно чорного тіла з абсолютною температурою  3 К. Реліктове випромінювання і червоне зміщення - експериментальна основа концепції гарячої розширення ізотропного Всесвіту.

В рамках цієї концепції з використанням загальної теорії відносності було доведено, що після виникнення атомів неоднорідності в просторовому розподілі матерії могли привести в результаті гравітаційного тяжіння частинок до областям випадкового ущільнення до формування величезних згустків (газопилових хмар), з яких згодом утворилися галактики, зірки і планети .

У надрах зірок при дуже високій температурі відбувається злиття ядер легких елементів в ядра більш важких (термоядерний синтез або нуклеосинтез). Тобто зірки є «фабриками» з вироблення різних елементів з водню і гелію, що виникли на ранній стадії. Закінчення частинок з поверхні зірок (зоряний вітер), скидання зовнішньої оболонки або вибух деяких зірок розсіюють елементи в просторі, а з газопилових хмар знову формуються зірки і планети, на яких вже є набір різноманітних елементів.

У сучасній космогонії безліч невирішених проблем і завдань.

По-перше, в експерименті неможливо відтворити умови, які були в ранньому Всесвіті, щоб переглянути ту чи іншу гіпотезу.

По-друге, розрахунки показують, що для утворення галактик через неоднорідність розподілу матерії її середня щільність повинна значно перевищувати реально спостережувану. Тому виникла проблема виявлення у Всесвіті, крім спостерігається, також і прихованої (ненаблюдаемой, «темної») матерії. Можливо, недостатня щільність обумовлена ??наявністю хоча б невеликої маси спокою у нейтрино, у величезній кількості рухомих у Всесвіті. Є перші, але не цілком достовірні, свідоцтва про наявність маси спокою у нейтрино. Можливо, недостатня щільність обумовлена ??масою чорних дір. Можливо, вірна напівфантастична гіпотеза про те, що на ранній стадії еволюції при виникненні основного набору елементарних частинок одночасно виникали «дзеркальні» частки (не плутати з античастинками!), Які беруть участь тільки в гравітаційному, але не беруть участі в інших взаємодіях (електромагнітному, сильному, слабкому) зі звичайними частинками, і тому нічим, крім гравітації, в нашому світі себе не проявляють. Тобто, можливо, є інша Всесвіт, співіснують з нашої і виявляє себе лише в додатковому тяжінні. За цією гіпотезою в місцях скупчення звичайної матерії повинно бути мало «дзеркальної» і навпаки. Так, домішка «дзеркальної» матерії в Сонце повинна бути близько 10-6 по масі, але цього достатньо, щоб утворити планету, що рухається всередині Сонця. Гравітаційний вплив такої планети могло б, зокрема, пояснити спостережувані періодичні пульсації сонячної поверхні.

По-третє, поки не вдається пояснити, чому в дослідженої частини Всесвіту речовина значно переважає над антиречовиною, частинки якого за всіма параметрами, крім знака заряду і деяким іншим, тотожні звичайним частинкам і, здавалося б, повинні були виникнути в такій же кількості. Можливо, у віддалених частинах Всесвіту існують області, де переважає антиречовину, але, що більш імовірно, цей факт свідчить про принципову асиметрії властивостей мікросвіту.

Нарешті, залишається невирішеною проблема опису вихідного стану Всесвіту, званого сингулярностью, причин і механізму Великого Вибуху.

 



 Структурні рівні організації матерії. Форми її руху і взаємодії |  Сучасний стан Всесвіту, еволюція зірок. нуклеосинтез
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати