Эволюция и развитие Вселенной

Министерство Образования

Российской Федерации.

Государственный Университет Управления.

Институт Национальной и Мировой Экономики.

Студента I курса

группы III (предпринимательство)

Доклад по теме

«Эволюция и развитие Вселенной».

План.

I.Взгляды мыслителей и учёных.

1.Совершенство и постоянство.

2.Первые изменения.

3.Современность.

II.Начало начал или всё из ничего.

1.Основные концепции теории Большого взрыва.

2.Проблемы и вопросы, встававшие перед учёными.

1)Антивещество и вещество.

2)Образование гелия.

3)Кризис Вселенной.

4)Образование тяжёлых элементов. Выход через катастрофу.

IV.Что будущее нам готовит?

Взгляды мыслителей и учёных.

Вглядываясь в небо безлунной ночью, мы проникаемся впечатлением его полнейшей постоянности. Греческий философ Аристотель(384-322 до н.э.) воспринимал это явление как закон природы. На земле, считал он, все вещи изменяются; на небе же всё неизменно, постоянно и совершенно. Были, конечно, и другие философы, верившие в неизменность небес, но Аристотель был самый знаменитый, и именно он считался высшим авторитетом в этом вопросе. Но…

В 134 г. до н.э. величайший греческий астроном Гиппарх однажды ночью обнаружил звезду, которой ещё вчера не было на этом месте. Под этим ярким впечатлением он составил каталог истинных (т.е. постоянных) звёзд, который и стал его главным достижением. Далее почти на 2000 лет центр астрономических исследований переносится в Китай, где учёные не были стеснены верой в совершенство мира. Они заметили за это время несколько новых звёзд, но их записи были недоступны учёным Европы. И вот в 1572 г. никому не известный астроном Тихо Браге заметил новую звезду. Книга со всеми записями учёного о наблюдениях за звездой положила конец греческой астрономии. Началась новая эпоха в астрономии.

Итак, учёные поняли, что Вселенная непостоянна. Затем главной сенсацией стало открытие того, что Вселенная с огромной скоростью расширяется: скопления галактик как бы «разбегаются» друг от друга. А это значит, что когда-то Вселенная была бесконечно мала. Так возникла теория Большого взрыва. Сейчас существует много теорий возникновения Вселенной, но большая часть из них опирается на теорию Большого взрыва.

Начало начал или всё из ничего.

Расширение Вселенной началось с сингулярного состояния (когда 2 любые точки были сколь угодно близки друг к другу, а плотность вещества была бесконечна) так называемым Большим взрывом. Теперь давайте рассмотрим основные этапы развития Вселенной.

0.Сингулярность. Большой взрыв. Почти бесконечная температура и энергия.

Прошло 10^-43 секунды. Планковский момент. Возникновение первых частиц - гравитонов.

10^-6секунды. Адронная эра. Образование и аннигиляция (взаимоуничтожение) протон-антипротонных пар.

1 секунда. Лептонная эра. Образование и аннигиляция электрон-позитронных пар.

1 минута. Радиационная эра. Ядерный синтез гелия и водорода.

10.000 лет. Эра вещества. Во вселенной начинает доминировать вещество.

300-500 тыс. лет. Эпоха отделения излучения от вещества (рекомбинация вещества). Вселенная становится прозрачной.

1-2 млрд. лет. Начало образования галактик.

3 млрд. лет. Галактики начинают образовывать скопления.

4 млрд. лет. Образование нашей Галактики.

4,1 млрд. лет. Образование первых звёзд.

5 млрд. лет. Образование квазаров.

15,2 млрд. лет. Образование межзвёздного облака, давшего начало Солнечной системе.

15,3 млрд. лет. Образование Солнца

15,4 млрд. лет. Образование планет.

Теперь давайте всё это прокомментируем. Первой проблемой, ставшей на пути теории Большого взрыва, стало антивещество. При образовании Вселенной вместе с обычным веществом - протонами, нейтронами и электронами - должны были образоваться и их противоположности, причём в таком же количестве. Затем они должны были полностью взаимоуничтожиться. Откуда же тогда взялось современное вещество? Учёные решили, что вещества образовалось чуть - чуть - на одну триллионную - больше, чем антивещества. Эта ничтожная часть и дожила до наших дней.

Когда Вселенная достаточно охладилась - примерно до миллиарда градусов - стали образовываться атомы (начался первичный нуклеосинтез). Один протон притягивал нейтрон - получался водород. Если же при этом участвовали 1 или 2 протона, то образовывались соответственно дейтерий и тритий. Тут перед учёными стала вторая проблема - а как образовался гелий, ведь для этого нужно невозможное - присоединение протона к протону. Русско-американский учёный Г.А.Гамов нашёл решение этой проблемы, предположив, что после захвата нейтрона протоном первый может распасться на протон, электрон и антинейтрино. Тогда образуется устойчивое ядро с двумя протонами и двумя нейтронами - гелий. Казалось бы, этот процесс можно продолжать и дальше, последовательно получая все элементы таблицы Менделеева. Но на пути нуклеосинтеза стали элементы с «магическими» числами 5 и 8, так как любая комбинация протонов и нейтронов, образующая ядро с атомным весом 5 и 8, является нестабильной - она распадается быстрее, чем образуется. Конечно, во Вселенной 99% водорода и гелия, но и другие элементы должны были как - то образоваться. Я расскажу об этом немного позднее.

Из-за преобладания в веществе ранней Вселенной протонов над нейтронами итоговое содержание гелия и его изотопов составило 22 - 28 % от массы всего вещества, остальное же составлял водород. Но вещество тогда было ничтожной частью Вселенной, её основными компонентами были фотоны(69%) и нейтрино (31%). К этому времени нейтрино образовали нейтринный газ, не взаимодействовавший с другими составляющими. Фотоны же взаимодействовали со свободными электронами, поэтому Вселенная была непрозрачна для излучений.

Последующие 300 - 500 тыс. лет не происходило ничего интересного. Когда же температура снизилась да 3000 К, все оставшиеся электроны вошли в состав водорода и гелия, перестав взаимодействовать с фотонами. Вселенная стала прозрачной, излучение отделилось от вещества и образовало то, что в наше время называют реликтовым излучением.

В результате Вселенная содержала однородную смесь трёх почти не взаимодействовавших между собой субстанций: лептонов (нейтрино и антинейтрино), реликтового излучения (фотоны) и вещества (атомы водорода, гелия и их изотопы). В данных условиях ни одно из четырёх фундаментальных взаимодействий не могло повлиять на эту систему. Казалось бы, что в перспективе остаётся дальнейшее расширение и остывание Вселенной, завершающееся образованием «лептонной пустыни» (что-то вроде «тепловой смерти»). На самом же деле выход нашелся, это был переход в новое структурное состояние Вселенной. Из-за нарушения равновесия между веществом и антивеществом, а также из-за наличия различных субстанций стали образовываться протогалактики (гигантские газовые облака), из которых затем образовывались галактики. В каждом облаке начинался бурный процесс звездообразования, рождались сотни миллионов звёзд, в тысячи раз чаще, чем сейчас вспыхивали сверхновые. Этот процесс носил характер цепной реакции. То, что процесс формирования галактик сопровождался движениями потоков вещества, привело к появлению вихревых движений, в том числе и к вращению галактик.

Теперь самое время поговорить о возникновении тяжёлых элементов. Все знают, что наше Солнце получает энергию за счёт преобразования водорода в гелий. Что будет, когда водород кончится? Солнце уйдёт с главной последовательности и превратиться в красного гиганта, в ядре которого при температуре в сотни миллионов градусов сначала 3 ядра гелия будут превращаться в 1 атом углерода (это может произойти потому, что кроме гелия там ничего не останется), а затем пойдёт цепная реакция, вплоть до железа, на котором эта цепочка остановится, так как перестанет вырабатывать энергию. Но затем Солнце, отбросив внешнюю оболочку, превратится в белого карлика, при этом почти все тяжёлые элементы останутся в нём. Как же тогда эти элементы попадут в космос? А как образуются более тяжёлые элементы? Мы сразу вынуждены исключить 95-98% звёзд, масса которых меньше или не на много больше массы Солнца. Единственный возможный источник тяжёлых ядер - это сверхновая.

Сверхновая типа 1 возникает на той же почве, что и обычная новая: белый карлик получает материю от близкорасположенного красного гиганта. Разница в том, что белый карлик стоит у предела своей массы (около 1,38 солнечной), поэтому добавляемая масса заставляет его не просто начать ядерную реакцию, а взорваться. Вся его масса(1,4 солнечной) выбрасывается в космос. Но в карлике нет ядер тяжелее железа. Они выбрасываются в космос сверхновыми типа 2 и 3. Речь идёт о массивных звёздах, которые тяжелее Солнца в десятки, сотни, а то и тысячи раз. Такие звёзды, быстро превратив весь водород и гелий из ядра в железо, испытывают резкое возрастание температуры и давления, и весь водород и гелий на поверхности моментально вступает в ядерную реакцию. Звезда взрывается, причём большая часть энергии идёт на синтез тяжёлых элементов.

А как образовались ядра Li, Be и B с атомной массой меньше 12 - массы углерода? Считается, что они образовались из-за распада нестабильных изотопов более тяжёлых ядер.

Мы и наш мир, таким образом, не только произошли из звёзд, но из взрывающихся звёзд. Мы - дети сверхновых.

Что будущее нам готовит?

Ну, вот мы и закончили рассказ об эволюции Вселенной. Считается, что она возникла из-за какого-то случайного процесса. Таких случайностей потом было множество: асимметрия между веществом и антивеществом, неустойчивость ядер с массой 5 и 8, устойчивость углерода… Совокупность многочисленных случайностей такого рода называется «тонкой подстройкой» Вселенной. Не менее удивительные совпадения встречаются на всём пути развития жизни, например вымирание динозавров.

Что будет с Вселенной? Будет ли она расширяться до бесконечности, или сожмётся опять до нуля? Или она исчезнет из-за случайного процесса, как и появилась? На мой взгляд, мы никогда этого не узнаем. Высокоразвитые цивилизации так долго не живут. Всё в плену у случайностей.

Литература: «Концепции современного естествознания» (С.Х.Карпенков), «Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых» (А.Азимов), «Сумма технологий» (С.Лемм), «Справочник необходимых знаний» (А.П.Кондрашов).