Скачати реферат можна тут

Еволюція Всесвіту

                      1.Основні космологічні гіпотези

   Результати пізнання, одержувані в космології, оформляються у вигляді моделей походження і розвитку Всесвіту. Це пов'язано з тим, що в космології неможливо поставити відтворювані експерименти і вивести з них якісь закони, як це робиться в інших природничих науках. Крім того, кожне космічне явище унікальне. Тому для того щоб уявити собі еволюцію всесвіту вчені створювали свої моделі, та теорії.

1.1.  Класична космологічна модель.

   Успіхи космології 18-19 ст. завершилися створенням класичної поліцентричної картини світу, що стала початковим етапом розвитку наукової космології. Всесвіт у цьому уявленні про світ вважається нескінченним у просторі і в часі, тобто вічним. Основний закон, що керує рухом та розвитком небесних тіл, - закон всесвітнього тяжіння. Простір ніяк не пов'язаний з розташованими в ньому тілами, граючи пасивну роль вмістилища для цих тіл. Час також не залежить від матерії, будучи універсальною тривалістю всіх природних явищ і тіл. Кількість зірок, зоряних систем і планет у Всесвіті нескінченно велике. Кожне небесне тіло проходить тривалий життєвий шлях. На зміну загиблим, точніше погаслим, зіркам приходять нові, молоді світила. У такому вигляді класична космологічна модель Всесвіту панувала в науці аж до кінця 19 ст.

    До кінця 19 століття з'явилися серйозні сумніви в класичній моделі, які прийняли форму космологічних парадоксів - фотометричного, гравітаційного та термодинамічного.

У 18 столітті швейцарський астроном Р. Шезо висловив сумніви з приводу просторової нескінченність Всесвіту. Якщо припустити, що в нескінченній Всесвіту існує нескінченна безліч зірок і вони розподілені в просторі рівномірно, то тоді за будь-якого напрямку погляд земного спостерігача неодмінно натикався б на яку-небудь зірку. Тоді небосхил, суцільно усіяний зірками, мав би нескінченну світність, тобто таку поверхневу яскравість, що навіть Сонце на його тлі здавалося б чорною плямою. Однак цього не відбувається, тому дане парадоксальне твердження отримало в астрономії назву фотометричного парадоксу Шезо-Ольберса.

Фотометричний парадокс Шезо-Ольберса

   В кінці 19в. німецький астроном К. Зеелігер звернув увагу на інший парадокс. У нескінченому Всесвіті з рівномірно розподіленими в ній тілами сила тяжіння з боку всіх тіл Всесвіту на дане тіло виявляється нескінченно великою або невизначеною (результат залежить від способу обчислення). Оскільки цього не відбувається, Зеелігер зробив висновок, що кількість небесних тіл у Всесвіті обмежена, а значить і сам Всесвіт не безкінечний. Це твердження отримало назву гравітаційного парадоксу.

    Термодинамічний парадокс був сформульований також у 19 ст. Він випливає з другого закону термодинаміки - принципу зростання ентропії. Світ повний енергії, яка підкоряється закону збереження енергії. Здається, що з цього закону неминуче випливає вічний кругообіг матерії у Всесвіті. Якщо в природі матерія не зникає і не виникає з нічого, а лише переходить з однієї форми існування в іншу, то Всесвіт вічний, а матерія перебуває у постійному круговороті. Таким чином, згаслі зірки знову перетворюються на джерело світла і тепла.

Тому несподівано пролунав висновок з другого закону термодинаміки, відкритого в середині 19 ст. Кельвіном і Р.Ю.Е. Клаузисом. При всіх перетвореннях різні види енергії в кінцевому рахунку переходять в тепло, яке прагне до стану термодинамічної рівноваги, тобто розсіюється в просторі. Так як такий процес розсіювання тепла незворотній, то рано чи пізно всі зірки згаснуть, всі активні процеси в природі припиняться, настане «теплова смерть Всесвіту».

Таким чином, три космологічних парадокси змусили вчених засумніватися в класичній космологічної моделі Всесвіту, спонукали їх до пошуків нових несуперечливих моделей.

    1.2. Релятивістська модель Всесвіту. Нова модель Всесвіту була створена в 1917 році А. Ейнштейном. Її основу склала релятивістська теорія тяжіння. Ейнштейн відмовився від постулатів абсолютність і нескінченності простору і часу, проте зберіг принцип стаціонарності, незмінності Всесвіту в часі та її кінцівки в просторі. Властивості Всесвіту, на думку Ейнштейна, визначаються розподілом в ній гравітаційних мас, Всесвіт безмежний, але при цьому замкнутий в просторі. Відповідно до цієї моделі простір однорідний, тобто у всіх напрямках має однакові властивості; матерія розподілена в ньому рівномірно; час нескінчений, і не впливає на властивості Всесвіту. На підставі своїх розрахунків Ейнштейн зробив висновок, що світовий простір являє собою чотиривимірну сферу.

    Обсяг такого Всесвіту може бути виражений, хоча і дуже великим, але кінцевим числом кубометрів. Всесвіт Ейнштейна містить обмежене число зірок і зоряних систем, і тому до неї не застосовуються фотометричний та гравітаційний парадокси. У той же час привид теплової смерті тяжіє і над Всесвітом Ейнштейна. Вічність їй не притаманна.

Таким чином, незважаючи на новизну і навіть революційність ідеї, Ейнштейн у своїй космологічній теорії орієнтувався на звичну класичну світоглядну установку - на статичність світу.

    1.3. Модель Всесвіту, що розширюється. У 1922 р., радянський геофізик і математик А.А. Фрідман на підставі суворих розрахунків встановив, що Всесвіт ніяк не може бути стаціонарним. Фрідман зробив це відкриття, спираючись на сформульований ним космологічний принцип, що будується на двох припущеннях: про ізотропності і однорідність Всесвіту. Ізотропності Всесвіту розуміється як відсутність виділених напрямків, однаковість Всесвіту в усіх напрямках. Однорідність Всесвіту розуміється як однаковість усіх точок Всесвіту.

Фрідман довів, що рівняння Ейнштейна мають рішення, згідно з якими Всесвіт може розширюватися або стискатися. При цьому мова йшла про розширення самого простору, тобто про збільшення всіх відстаней світу. Всесвіт Фрідмана нагадував роздування мильної бульбашки, у якої і радіус, і площа поверхні безперервно збільшуються.

Спочатку модель Всесвіту, що розширюється носила гіпотетичний характер і не мала емпіричного підтвердження. Однак у 1929 р. американський астроном Е.П. Хаббл виявив ефект «червоного зсуву» спектральних ліній. Це було витлумачено як наслідок ефекту Доплера - зміна частоти коливань або довжини хвиль через руху джерела хвиль і спостерігача по відношенню один до одного. Червоне зміщення було пояснено як наслідок віддалення галактик одна від одної зі швидкістю що зростає з відстанню (приблизно 55 км / с на кожен мільйон парсеків).

У результаті своїх спостережень Хаббл обгрунтував уявлення, згідно з яким Всесвіт - це безліч галактик, розділених між собою величезними відстанями.

   Якщо кінетична енергія розлітання речовини переважає над гравітаційної енергією, що перешкоджає розльоту, то сили тяжіння не зупинять розбігання галактик, і розширення Всесвіту буде носити незворотній характер. Цей варіант динамічної моделі Всесвіту називають «моделлю відкритого Всесвіту».

Якщо ж переважає гравітаційна взаємодія, то темп розширення з часом сповільниться до повної зупинки, після чого почнеться стиснення речовини аж до повернення Всесвіту в початковий стан сингулярності. Такий варіант моделі названий «моделлю закритого Всесвіту».

У випадку, коли сили гравітації рівні енергії розльоту речовини, розширення не припиниться, але його швидкість з часом буде прагнути до нуля.

2.Концепція Великого вибуху

    Уявлення про розвиток Всесвіту призвело до постановки питання про початок еволюції (народження) Всесвіту і його кінця (смерті). В даний час існує декілька космологічних моделей, що пояснюють окремі аспекти виникнення матерії у Всесвіті, але вони не пояснюють причини і процес народження самого Всесвіту. Тільки теорія Великого вибуху Г.А. Гамова змогла до цього часу пояснити майже всі факти, пов'язані з цією проблемою. Основні риси цієї моделі збереглися до цих пір, хоча вона була пізніше доповнена теорією інфляції, або теорією роздування Всесвіту, розробленої американськими вченими А. Гутом і П. Стейнхардтом, і доповненої радянським фізиком А.Д. Лінде.

У 1948 році Гамов висунув припущення, що Всесвіт утворився в результаті гігантського вибуху, що стався приблизно 15 млрд років тому. Тоді вся речовина і вся енергія Всесвіту були сконцентровані в одному надщільним згустку. Якщо вірити математичним розрахункам, то на початку розширення радіус Всесвіту був рівний нулю, а її щільність - нескінченності. Цей початковий стан називається сингулярністю.

    Але за принципом невизначеності В. Гейзенберга речовину неможливо стягти в одну точку, тому вважається, що Всесвіт у початковому стані мав певну щільність і розміри.

Довгий час нічого не можна було сказати про причини Великого вибуху, перехід до розширення Всесвіту. Але сьогодні з'явилися деякі гіпотези, що намагаються пояснити ці процеси. Вони лежать в основі інфляційної моделі розвитку Всесвіту.

   Ранній етап еволюції Всесвіту.

  Великий вибух (0-10⁻⁴⁵ c) — В одній квантовій області просторово-часової піни в результаті квантових флюктуацій сформувався 3+1 вимірний простір-час з параметрами фундаментальних взаємодій, які після розпаду первинного стану і ряду фазових переходів привели до 4-х фізичних взаємодій нашого Всесвіту та набору елементарних частинок, які його заповнили. Така локальна область почала спонтанно розширюватись, охолоджуватись, а поле скочуватись у стан з мінімальним значенням енергії (вакуумний стан).

  Інфляція (10⁻⁴⁵ — 10⁻³⁴ c) — Короткочасна стадія дуже швидкого (експоненціального) збільшення масштабів — (a(t)~ e^Ht). За коротку мить — наприклад, з 10⁻³⁵ c до 10⁻²⁵ с — масштаби зросли в ~ e^10000000000 разів. Інфляція закінчується синтезом частинок і квантів полів, які відповідають температурі на момент кінця інфляції (t₂) T » 6.4 ´ 10¹⁴(10⁻¹⁰ c/t2)^1/2 К. В цю епоху могли згенеруватися реліктові гравітаційні хвилі, які далі вільно поширюються в просторі (перший реліктовий фон, який може бути зареєстрований).

  Баріосинтез (~ 10⁻¹²−10⁻⁸ с) — «Суп» із кварків і глюонів «вистигає», залишивши в осаді важкі частинки — адрони і їхні античастинки.

  Адронна ера (~ 10⁻⁸−10⁻⁶ с) — Короткоживучі адрони розпадаються на легші аж до протонів, нейтронів і їхніх античастинок. Частинки і античастинки перебувають в термодинамічній рівновазі з квантами електромагнітного випромінювання ГеВ-них енергій. Епоха закінчується анігіляцією речовини і антиречовини. Залишився надлишок протонів, нейтронів і електронів над їхніми античастинками (його походження поки що невідоме) і велике число квантів високих енергій, які розпадались на пару віртуальних лептонів.

  Лептонна ера (~ 10⁻⁶−1с) — лептони (електрони, мюони, тау-частинки і відповідні їм нейтрино) перебувають у термодинамічній рівновазі з випромінюванням (народження-анігіляція електрон-позитронних пар). Закінчується анігіляцією пар частинка-античастинка, залишається надлишок електронів над позитронами, кванти електромагнітного випромінювання та нейтрино, які через слабку взаємодію з рештою частинок почали вільно поширюватись у просторі

(другий реліктовий фон, який може бути зареєстрований).

  Епоха нуклеосинтезу (1 c — 100 с) — протони і нейтрони стикаючись «злипаються», утворюючи ядра легких елементів: дейтерій, тритій, гелій-3, гелій-4, літій, берилій та інші. Основний з них — гелій, якого на кінець епохи утворилось ~ 10% від числа протонів. Отже, спостережуване повсюдно в космосі співвідношення He/H ~ 0,1 є третім реліктом ранніх епох, який надійно реєструється. На кінець епохи сформувався первинний хімічний вміст елементів: ядра легких елементів, вільні електрони та фотони.

  Епоха зір і галактик, розширення сповільнюється (100 млн. років — 6 млрд років) — Народжуються перші зорі, які у воднево-гелієвому середовищі мають бути дуже масивними. Їхній час життя малий і закінчують вони його спалахом наднової величезної потужності. Жорстким випромінюванням яскравих зір та ударними хвилями, згенерованими спалахами наднових, міжзоряний і міжгалактичний газ іонізується вдруге. Міжзоряне середовище збагачується важкими елементами, що сприяє утворенню зір менших мас. Починається епоха бурхливого зореутворення і формування галактик. Розширення Всесвіту відбувається із сповільненням — самогравітація речовини переважає.

  Утворення чорніх дір

Очікується, що чорні діри зоряних мас утворюються, коли у зорі масою понад 10 мас Сонця закінчується джерела енергії. В ядрі виникають умови, коли нейтрон стає стабільною часткою. За таких умов значна частина електронів поєднується з вільними протонами. Таким чином, тиск виродженого електронного газу не в змозі більше утримувати рівновагу зорі. Ядро колапсує і набуває густини, що близька до густини атомного ядра. Падіння зовнішніх шарів на ядро призводить до спалаху наднової та скидання зовнішніх шарів у навколишній простір. Якщо маса утвореної нейтронної зорі залишається більшою за межу Опенгеймера—Волкова, то тиск виродженого нейтронного газу не може підтримувати рівновагу й відбуватиметься подальший колапс. Густина енергії у ядрі при цьому прямує до нескінченності. Після того, як чорна діра утворилася, вона може продовжувати рости, абсорбуючи масу з навколишнього середовища. Абсорбуючи інші зорі та зливаючись з іншими чорними дірами, можуть утворитися надмасивні чорні діри з масами порядку мільйонів мас Сонця.

Будова Всесвіту

   Будову галактик можна описати в одному фото ↑. Як бачимо, однорідний всесвіт складається з хмар скупчень груп галактик (тисячі галактик), ті в свою чергу з скупчень груп галактик (сотні галактик), ті з груп галактик (кілька галактик), ті з галактик, ті з сонячних систем, а ті з планет.

   Поодинокі галактики у Всесвіті зустрічаються дуже рідко. Середні відстань між галактиками в групах і скупчення в 10-20 разів більше, ніж розміри самих великих галактик. Гігантські галактики мають розміри до 18 млн світлових років. Простір між галактиками заповнений газом, пилом і різного роду випромінюваннями.

Зірки народжуються з космічного речовини в результаті його конденсації під дією гравітаційних, магнітних та інших сил.

Народження зірок в галактиці відбувається безперервно. Безперервно відбувається і смерть зірок. Джерело власного світіння зірок - термоядерна реакція, що перетворює водень в гелій.

З моменту початку цієї реакції зірка переходить на головну послідовність, відповідно до якої будуть змінюватися з плином часу її характеристики: світність, температура, радіус, хімічний склад і маса.

Скачати реферат можна тут