Реферат: Начало и конец Вселенной

<m:mathPr> <m:mathFont m:val=«Cambria Math»/> <m:brkBin m:val=«before»/> <m:brkBinSub m:val="--"/> <m:smallFrac m:val=«off»/> <m:dispDef/> <m:lMargin m:val=«0»/> <m:rMargin m:val=«0»/> <m:defJc m:val=«centerGroup»/> <m:wrapIndent m:val=«1440»/> <m:intLim m:val=«subSup»/> <m:naryLim m:val=«undOvr»/> </m:mathPr>

Содержание

 

1. Введение                                                                                                   стр. 2

2. РанняяВселенная                                                                                    стр.2 

3. Назадк Большому взрыву                                                                     стр.3

4. Абсолютнаясингулярность                                                                   стр.9                                                           

5. Раздувание                                                                                                стр.11                             

5.1. Эпохаадронов                                                                                        стр.11

5.2. Эпохалептонов                                                                                      стр.12

5.3. Эпохаизлучения                                                                                    стр.13

5.4. Фоновоекосмическое излучение                                                        стр.13

5.5. Эпохагалактик                                                                                      стр.16

6. Дальнейшаясудьба Вселенной                                                              стр.18

7. Скрытаямасса                                                                                          стр.19

8. Судьбазамкнутой Вселенной                                                                 стр.25

9. Отскок                                                                                                        стр.26

10. Судьбаоткрытой Вселенной                                                                стр.26

11. Заключение                                                                                             стр.28

12. Списоклитературы                                                                                стр.31

 

1. Введение.

Красота Рё величие темного ночного неба всегдаволнуют нас. Каждое светящееся пятнышко РЅР° нем — образ звезды, ее свет, которыйдавно, может быть за­долго РґРѕ нашего рождения, оторвался РѕС‚ светила. Че­ловекутрудно представить себе необъятные просторы Вселенной, протекающие РІ нейсложные Рё мощные процессы РїСЂРёРІРѕРґСЏС‚ нас РІ трепет. Свет РѕС‚ некоторых видимыхобъектов шел Рє Земле миллионы лет, Р° ведь расстояние РѕС‚ нас РґРѕ Луны тот же лучсвета преодоле­вает меньше чем Р·Р° РґРІРµ секунды.

Наша Земля — всего лишь песчинка,затерявшаяся РІ бескрайнем пространстве, РѕРґРЅР° РёР· девяти планет, об­ращающихсявокруг неприметной желтой звезды, на­зываемой Солнцем…

РњРЅРѕРіРёРµ люди, всматриваясь РІ небо Рё смотря назвёзды, думают, что хотя РёС… жизнь Рё имеет СЃРІРѕР№ конец, РЅРѕ эти РІСЃРµ далекие звездыбудут всегда – Вселенная бесконечна. РќРѕ это РЅРµ так. Р’СЃРµ РІ этом РјРёСЂРµ изменяетсяи Вселенная РЅРµ исключение. РќРѕ было ли Сѓ Вселенной начало Рё будет ли конец? Еслибыло начало, то для Вселенной было ''началом''? Р’ этой работе   мнехотелось Р±С‹ рассмотреть современные теории возникновение Рё развитие Вселенной.

Мы начнем с теории возникновение Вселенной.

2. Ранняя Вселенная.

РњС‹ живем РІ расширяющейся Вселенной, которая,согласно теории Большого взрыва,   возникла примерно 18 миллиардов летназад РІ результате взрыва не­вообразимой силы. Р’ первые мгновения после взрыване было РЅРё звезд, РЅРё пла­нет, РЅРё галактик – ничего РєСЂРѕРјРµ частиц, излучения ичерных дыр. Короче РіРѕРІРѕСЂСЏ, Вселенная находилась РІ состоянии полнейшего хаоса состоль высокой энер­гией, что частицы, обладавшие гигантскими скоростями,сталкивались практи­чески непрерывно. Это был, РїРѕ сути, колоссальный ускорительчастиц, намного мощнее тех, которые построены РІ наши РґРЅРё.

Теперь ученые строят все более и более мощныеустановки, чтобы разоб­раться, как взаимодействуют высокоэнергичные частицы. Нокрупные уско­рители очень доро­гостоящи, а на их строительство уходят годы.Поэтому не­которые особенно нетер­пеливые ученые обратились к ранней Вселенной.Ее в шутку называют “ускорителем для бедных”, хотя это и не самое удачноеназвание. Если бы нам пришлось строить ускоритель на такие, характерные дляранней Вселенной энергии, он протянулся бы до ближайших звезд.

Раз уж строительство такой установки нам непо плечу, то, взяв за образец раннюю Вселенную или, по крайней мере, ее модель,можно попытаться понять, что происходит при столь больших энергиях.

Но чем вызван интерес к явлениям,происходящим при таких энергиях? Прежде всего, тем, что они помогают понятьприроду фундаментальных частиц, а также фу­ндамен­тальных взаимодействий.Установление связи между ними существенно для уяснения взаимозависимостикосмических явлений, а согласно современным теориям понимание связи междуфундаментальными взаимодействиями может пролить свет на процессы в раннейВселенной. Возникает, например, вопрос: почему фундаментальных взаимо­действийчетыре, а не одно, что казалось бы более естественным? Такой же вопрос можнозадать и о фундаментальных частицах.

Конечно, одна фундаментальная сила и однафундаментальная частица значительно упростили бы описание Вселенной. Как мыувидим, возможно, она именно так и устроена. Согласно появившимся недавнотеориям, при энергиях, характерных для ранней Вселенной, все четырефундаментальных взаимодействия были слиты воедино. По мере расширения иостывания Вселенной, видимо, происходило разделение сил; как при понижении температурызамерзает вода, так, возможно, из единой силы могло “вымерзти”тяготение, оставив остальные три. Вскоре “вымерзло” слабое взаимо­действие, и,наконец, разделились сильное и электромагнитное. Если такая идея верна и привысоких энергиях действительно происходит объединение, исследование раннейВселенной представляет исключительный интерес.

К середине 60-х годов большинство астрономовприняло концепцию происхождения Вселенной в результате Большого взрыва,предполагавшую, что в начале своего су­ществования Вселенная имела бесконечномалые размеры. Многим трудно согласиться с мыслью о том, что вся массаВселенной когда-то содержалась в ядре, меньше чем атом. Однако есть нечто ещетруднее воспринимаемое в этой идее первичного ядра. Нам кажется, что оносуществовало в некотором бесконечном пространстве, где и взорвалось, однакоастрономы утверждают, что это не так. Вокруг этого ядра не было пространства:ядро и было Вселенной. Взорвавшись, оно создало пространство, врем и материю.Позднее мы внимательнее рассмотрим этот взрыв и увидим, как из него развиласьВселенная, но прежде вернемся назад во времени к этому взрыву.

3. Назад к Большому взрыву.

Чтобы вернуться к самому началу, нужно знатьвозраст Вселенной. А это очень сложный и спорный вопрос. Долгие годы считалось,что возраст Вселен­ной составляет примерно 18 миллиардов лет. Эта циф­раприводилась в большинстве учебников, статей и популярных книг по космологии ипринималась большинством ученых, так как основы­валась на рабо­те Хаббла,которую долгие годы развивали Аллен Сэндейдж из Хейльскойобсерватории и Густав Там-ман из Базеля.

Не все, однако, были согласны с такимрезультатом. Жерар де Вокулериз Техасского университета работал над этой проблемой, используя сходную методику,и постоянно получал результат около 10 миллиардов лет. Сидни ван ден Берг из канадской обсерваториив Виктории также получил близкое значение. Но почему-то эти результаты осталисьбез внимания. В 1979 году еще три астронома объявили о том, что с помощьюдругих методов получили результаты, близкие по значению  полученным Вокулером.

Ученые, наконец, обратили внимание РЅР° эти результаты,Рё РєРѕРµ-кто задумался, — РЅРµ надо ли РїРѕ-РЅРѕРІРѕРјСѓ взглянуть РЅР° проблему возрастаВселенной. Боль­шинство продолжало придерживаться прежнего ре­зультата — 18миллиардов лет, РЅРѕ РїРѕ мере того, как поя­влялись новые данные,свидетельствовавшие РІ поль­зу 10 миллиардов лет, начинал раз­гораться СЃРїРѕСЂ. Да­вайтенемного задержимся РЅР° этом Рё разберемся РІ сути этого СЃРїРѕСЂР°. РњС‹ уже ви­де­­­­­­­­­­ли,что Хаббл, соотнеся расстояние РґРѕ галактик СЃ РёС… красным смещением, предсказалрас­ширение Вселенной. РќР° его диаграмме РѕСЃРѕР±Рѕ важным представляется уголнаклона РїСЂСЏРјРѕР№, проходящей че­рез точки; значение H называется постояннойХаббла. Важность этой по­стоянной определяется ее СЃРІСЏР·СЊСЋ СЃ возрастом Вселенной.РћРЅР° дает нам представление Рѕ скорости расширения, Рё если РјС‹ повернем расшире­ниеили, что-то же самое, время вспять (пре­дположив, что РѕРЅРѕ течет РІ обратнуюсторону), то Вселенная сожмется. РўРѕРіРґР° возраст Вселенной будет определяться темвременем, которое потребуется всему веществу, чтобы сжаться РґРѕ размеров точки.Если Р±С‹ Вселенная расширялась равномерно, то ее возраст был Р±С‹ обрат­нымвеличине H (1/ H). Однако существует СЏРІРЅРѕРµ сви­детельство РІ пользу того, чтоэто РЅРµ соответствует действительности: похоже, что расширение замедля­ется.Значит, чтобы уз­нать реальный возраст Вселен­ной, нам следует помнить РѕР± этоми соответственно знать, как быстро расширение замедляется.

РЎ помощью своей лестницы, которая помогла емувычислить расстояние РґРѕ далёких звезд, Хаббл получил РІ 1929 РіРѕРґСѓ значение Рќ, которое соответствовало пора­зительномалому возрасту — 2 миллиарда лет. Пора­зительным его можно считать потому, чторезультаты геологических исследований дают гораздо большее значение, Рё эти данныевесьма надежны. Замеша­тельство длилось недолго: Вальтер Баадеиз обсерва­тории Маунт-Вилсон РІСЃРєРѕСЂРµ нашел ошибку вметодике, СЃ помощью которой Хаббл определял расстояние. РћРЅ пользовалсязависимостью период — светимость для цефеид (чем больше период цефеид, тембольше абсолютная светимость) для определения расстояния РґРѕ ближайших галактик,РЅРѕ звезды переменной свети­мости РІ этих галактиках РЅРµ были обычными цефе­идамии, следовательно, указанной зависимости РЅРµ подчинялись. РЎ поправками возраст Вселеннойудва­ивался. Через несколько лет Сэндейдж заметил,что Хаббл РїСЂРёРЅСЏР» скопления звезд Р·Р° отдельные звезды РІ более отдаленных галактиках.РЎ этими исправлени­ями возраст еще раз удвоился.

Так возраст Вселенной был определен в 10милли­ардов лет. Однако Сэндейджа и Таммана это не удов­летворило. Они тщательнопроанализировали работу Хаббла, расширив ее рамки. В их распоряжении былиновейшая техника и методика калибровки, не говоря уже о 200-дюймовомтелескопе-рефлекторе Паломарской обсерватории. В результатеих исследований воз­раст Вселенной еще раз удвоился и составил около 18миллиардов лет, так что некоторое время никто не смел и подумать о новыхвычислениях.

РџРѕРєР° Сэндейдж Рё Тамман проверяли Рё корректи­ровали работы Хаббла, вТехасском университете усердно трудился РґРµ Вокулер.РџРѕРґРѕР±РЅРѕ Сэндейджу, РѕРЅ пользовался космическойлестницей, РёРґСЏ РїРѕ сту­пенькам вглубь РєРѕ РІСЃРµ более слабым галактикам. Од­накочто-то его беспокоило. Через несколько лет РѕРЅ внимательно изучил окружающую насгруппу галак­тик, называемую местным скоплением, Рё обнаружил, что РѕРЅР° являетсячастью гораздо большей РіСЂСѓРїРїС‹ — скопления скоплений. Доминирующим РІ РіСЂСѓРїРїРµ былогигантское скопление, называемое Девой (располо­женное РІ направлении созвездияДевы). Де Вокулер пришел Рє выводу, что этоколоссальное скопление воздействует РЅР° нашу галактику, поэтому РѕРЅ Рё полу­чилгораздо меньшее число, чем Сэндейдж Рё Тамман, которые РЅРµ учли этого обстоятельства.

Однако никто РЅРµ обращал РЅР° идеи РґРµ Вокулера РЅРё малейшего внимания. Наверное, легче было считать,что РјС‹ живем РІ обычной области Вселенной, Р° РґРµ Во­кулеруверял, что это аномальная область. Для разре­шения противоречия требовалсякакой-то совершен­но новый метод. Такой метод (который, однако, РЅРµ позволилнайти окончательное решение) появился РІ 1979 РіРѕРґСѓ — Марк Ааронсониз обсерватории Стю­арда, Джон Хачра РёР· Гарварда Рё Джереми Моулд РёР· национальнойобсерватории Китт-РџРёРє объявили Рѕ том, что полученноеими значение Рќ лежит между значе­ниями,предложенными РґРµ Вокулером Рё Сэндейджем.Однако большинство РёС… измерений, как Рё измерения Сэндейджа,проводились РІ направлении скопления Девы. Де Вокулерпредложил провести РёС… РІ каком- либо РґСЂСѓРіРѕРј участке неба, подальше РѕС‚ Девы. И ко­нечноже, полученное значение оказалось очень близ­ким Рє результату РґРµ Вокулера.

Ааронсонс сотрудниками использовали метод, раз­работанныйнамного раньше Брентом Таллииз Гавайского университета Рё Ричардом Фишером РёР· Нацио­нальной обсерватории. Талли Рё Фишер определяли массу галактик, РїСЂРѕРІРѕРґСЏ наблюденияна длине волны <st1:metricconverter ProductID=«21 СЃРј» w:st=«on»>21 СЃРј</st1:metricconverter>.Линия спектра, соответствующая этой длине волны РїСЂРё вращении галактикрасширяется, С‚. Рµ. чем больше скорость вращения галактики, тем шире соот­ветствующаялиния. Поскольку известно, что наибо­лее массивные, самые крупные галактикивращаются быстрее РґСЂСѓРіРёС…, Талли Рё Фише­ру оставалосьлишь из­мерить ширину линии Рё тем самым определить «вес» галактики, Р° РёР· это­го,РІ СЃРІРѕСЋ очередь, ее истинную СЏСЂВ­ кость, или светимость. Узнав светимость иопределив РёР· на­блюдений РІРёРґРёРјСѓСЋ яркость, легко найти рассто­яние РґРѕ галактики.

Несмотря на простоту, метод вызывает напракти­ке ряд трудностей. Прежде всего, отнюдь не все галак­тики повернуты кнам «лицом»; обычно они видны под каким-то углом, а значит, большая часть ихсвета поглощается пылью. Для учета этого обстоятельства приходится вводитьсоответствующие поправки, что и сделали Талли с Фишером.Тем не менее их результаты подверглись суровой критике.

Заинтересовавшись этим методом, Ааронсон с со­трудниками решили измерять не видимый свет га­лактик,а их инфракрасное излучение, тем самым, избежав необходимости введенияпоправок. Инфра­красное излучение не задерживается пылью, а потому и нетнеобходимости делать поправку на поворот га­лактик. В итоге ученые получилизначение Я, согла­сующееся с результатом измерения де Вокулера.

Ааронсони его коллеги вскоре убедились, что мы в самом дележивем в аномальной области Вселенной. Мы находимся на расстоянии примерно 60миллионов световых лет от суперскопления в Деве истре­мимся к нему под действием притяжения с весьма большой скоростью. Значит,для того чтобы получить верное значение постоянной Хаббла, нужно из скоро­стиразбегания галактик (с которой они удаляются от нас) вычесть эту скорость.

Правда, Сэндейдж и Тамман не убеждены, что мы живем в аномальной области. Ихизмерения, как утверждают авторы, не дают оснований считать, что мы движемся кскоплению в Деве, а следовательно, не нужно вводить соответствующую поправку.Интересно, что наша собственная скорость, измеренная Ааронсоном,не совпадает со значением, полученным де Вокулером.По мнению Ааронсона, мы движемся к скоплению в Девене по прямой, а по спирали; такой вывод основывается на весьма сложноймодели  вра­щающегося суперскопления.

Итак, возникает проблема — действительно лимы живем РІ аномальной области, как свидетельствуют последние результаты, или жеправы Сэндейдж Рё Тамман?Казалось Р±С‹, решить ее довольно легко, ведь РІ предыдущей главе рассказывалось ореликтовом излучении, заполняющем РІСЃСЋ Вселенную, причем РІ раз­ных направленияхего температура различна. РџРѕ дан­ным таких измерений, РјС‹ движемся Рє созвездиюЛьва СЃРѕ скоростью примерно 600 РєРј/СЃ, РЅРѕ Лев отстоит РѕС‚ центра скопления РІ Девепримерно РЅР° 43В°! Итак, РѕРґРЅРё измерения свидетельствуют, что РјС‹ движемся РІ на­правленииЛьва, Р° РґСЂСѓРіРёРµ — что Рє Деве. Какие РёР· РЅРёС… верны? РџРѕРєР° неизвестно.

Похоже, что РјС‹ зашли РІ тупик, Рё РІ РІРѕРїСЂРѕСЃРµ овоз­расте Вселенной — 10 ей миллиардов лет или 20? Рљ счастью, есть еще дваметода определения возраста Вселенной. Правда, Рё тот Рё РґСЂСѓРіРѕР№ позволяют найтилишь возраст нашей Галактики, РЅРѕ поскольку доволь­но хорошо из­вестно,насколько Вселенная старше Га­лактики, эти методы весьма надежны. Р’ первом РёР·РЅРёС… используются гигантские скопления звезд, так называемые глобулярныескопления; РѕРЅРё окружают нашу Галактику РїРѕРґРѕР±РЅРѕ тому, как пчелы окружают улей.Если построить зависимость абсолютной, или истинной, яркости РѕС‚ температурыповерхности звезд, входящих РІ такие скопления, откроется весьма инте­ресныйрезультат. (Такой график называется диа­граммой Герцшпрунга-Рессела,РїРѕ именам впервые построивших его ученых.)

Прежде чем рассказать Рѕ полученномрезультате, рассмотрим типичную диаграмму Герцшпрунга-Рес­села.Если скопление относительно молодое, боль­шинство точек лежит РЅР° диагонали,называемой глав­ной последовательностью; РєСЂРѕРјРµ того, есть несколько точек вверхнем правом углу Рё совсем мало — РІ ниж­нем левом. РќР° главнойпоследовательности представ­лены РІСЃРµ звезды — РѕС‚ небольших красных карликов доголубых гигантов. РћРґРЅРѕР№ РёР· особенностей этой диаграммы является то, что звезда,РїРѕ мере старе­ния, СЃС…РѕРґРёС‚ СЃ главной последовательности. Самые верхние точки,соответствующие голубым гигантам, СЃС…РѕРґСЏС‚ первыми, Р° РїРѕ С…РѕРґСѓ старения скопленияс главной последовательности СЃС…РѕРґРёС‚ РІСЃРµ больше Рё больше звезд, причем всегда,начиная сверху диаграм­мы. Это означает, что чем старше скопление, тем ко­рочеего главная последовательность. РћСЃРѕР±РѕРµ значе­ние имеет то, что точка, вышекоторой нет звезд (РѕРЅР° называется точкой поворота), позволяет оценить воз­растскопления.                                                      

Второй метод заключается РІ наблюдении скоро­стейраспада различных радиоактивных веществ. Ме­рой скорости этого процесса служиттак называемый период полураспада — время, РІ течение которого расВ