Модели развития Вселенной

Модели развития Вселенной

Содержание работы:

Введение. 3

1. Начало Вселенной. 3

2. Рождение сверхгалактик и скоплений галактик. 10

3. Рождение галактик. 11

Заключение. 14

Список литературы: 15

Введение.

Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселен-ной. И всё же исследования проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес, закрывающий от нас далекое прошлое.

Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный шар, рас-каленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот ог-ненный шар был на столько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.

На протяжении десяти миллиардов лет после «большого взрыва» простейшее бесформенное вещество постепенно превращалось в атомы, молекулы, кристаллы, породы, пла-неты. Рождались звезды, системы, состоящие из огромного количества элементарных частиц с весьма простой органи-зацией. На некоторых планетах могли возникнуть формы жизни.

1. Начало Вселенной.

Вселенная постоянно расширяется. Тот момент с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее нача-лом. Тогда началась первая и полная драматизма эра в истории вселенной, ее называют «большим взрывом» или английским термином Big Bang.

Под расширением Вселенной подразумевается такой про-цесс, когда то же самое количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий объём. Сред-няя плотность Вселенной в результате расширения посте-пенно понижается. Из этого следует, что в прошлом Плот-ность Вселенной была больше, чем в настоящее время. Можно предположить, что в глубокой древности (примерно десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была очень большой. Кроме того высокой должна была быть и температура, настолько высокой, что плотность излучения превышала плотность вещества. Иначе говоря энергия всех фотонов содержащихся в 1 куб. см была больше суммы об-щей энергии частиц, содержащихся в 1 куб. см. На самом раннем этапе, в первые мгновения «большого взрыва» вся материя была сильно раскаленной и густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами анни-гилировали, но возникающие гамма-фотоны моментально ма-териализовались в частицы и античастицы.

Подробный анализ показывает, что температура вещества Т понижалась во времени в соответствии с простым соотно-шением : T = 1010 K

Зависимость температуры Т от времени t дает нам возмож-ность определить, что например, в момент, когда возраст вселенной исчислялся всего одной десятитысячной секун-ды, её температура представляла один биллион Кельвинов.

Температура раскаленной плотной материи на начальном этапе Вселенной со временем понижалась, что и отражает-ся в соотношении. Это значит, что понижалась средняя кинетическая энергия частиц kT . Согласно соотношению hkT понижалась и энергия фотонов. Это возможно лишь в том случае, если уменьшится их частота Понижение энергии фотонов во времени имело для возникновения час-тиц и античастиц путем материализации важные последст-вия. Для того чтобы фотон превратил-ся(материализовался) в частицу и античастицу с массой mo и энергией покоя moc ему необходимо обладать энергией 2mocили большей. Эта зависимость выражается так :

h>=2moc

Со временем энергия фотонов понижалась, и как только она упала ниже произведения энергии частицы и античас-тицы (2moc), фотоны уже не способны были обеспечить возникновение частиц и античастиц с массой mo. Так, на-пример, фотон, обладающий энергией меньшей, чем 2.938 Мэв = 938 Мэв, не способен материализоваться в протон и антипротон, потому что энергия покоя протона равна 938 мэв.

В предыдущем соотношении можно заменить энергию фотонов h кинетической энергией частиц kT ,

kT >= 2 moc

то есть

T >= 2 moc .

Знак неравенства означает следующее: частицы и соответ-ствующие им античастицы возникали при материализации в раскаленном веществе до тех пор, пока температура веще-ства T не упала ниже значения.

2 moc

На начальном этапе расширения Вселенной из фотонов рож-дались частицы и античастицы. Этот процесс постоянно ослабевал, что привело к вымиранию частиц и античастиц. Поскольку аннигиляция может происходить при любой тем-пературе, постоянно осуществляется процесс частица + античастица гамма-фотона при условии соприкоснове-ния вещества с антивеществом. Процесс материализации гамма-фотон частица + античастица мог протекать лишь при достаточно высокой температуре. Согласно тому, как материализация в результате понижающейся температуры раскаленного вещества приостановилась. Эволюцию Вселен-ной принято разделять на четыре эры : адронную, лептон-ную, фотонную и звездную.

а) Адронная эра. При очень высоких температурах и плот-ности в самом начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц. Вещество на самом ран-нем этапе состояло прежде всего из адронов, и поэтому ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, не-смотря на то, что в то время существовали и лептоны.

Через миллионную долю секунды с момента рождения Все-ленной, температура T упала на 10 биллионов Кельви-нов(10K. Средняя кинетическая энергия частиц kT и фотонов h составляла около миллиарда эв (10Мэвчто соответствует энергии покоя барионов. В первую миллион-ную долю секунды эволюции Вселенной происходила мате-риализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но по прошествии этого времени материали-зация барионов прекратилась, так как при температуре ниже 10K фотоны не обладали уже достаточной энергией для ее осуществления. Процесс аннигиляции барионов и антибарионов продолжался до тех пор, пока давление из-лучения не отделило вещество от антивещества. Неста-бильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов (протоны и нейтроны). Так во вселенной ис-чезла самая большая группа барионов - гипероны. Нейтро-ны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не распадались, иначе бы нарушился закон сохранения бари-онного заряда. Распад гиперонов происходил на этапе с 10 до 10 секунды.

К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десяти-тысячной секунды (10 с.), температура ее понизилась до 10K, а энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже для возникновения самых лег-ких адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее, рас-падались, а новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг 10 с., в ней исчезли все мезоны. На этом и кончается ад-ронная эра, потому что пионы являются не только самыми легкими мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда по-сле этого сильное взаимодействие (ядерная сила) не про-являлась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды.

б) Лептонная эра. Когда энергия частиц и фотонов пони-зилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.

Лептонная эра начинается с распада последних адронов - пионов - в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре 10K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электро-нов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа на-чинается независимое существование электронного и мюон-ного нейтрино, которые мы называем «реликтовыми». Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.

в) Фотонная эра или эра излучения. На смену лептонной эры пришла эра излучения, как только температура Все-ленной понизилась до 10K , а энергия гамма фотонов достигла 1 Мэв, произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Новые электронно-позитронные пары не мог-ли возникать вследствие материализации, потому, что фо-тоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока дав-ление излучения полностью не отделило вещество от анти-вещества. Со времени адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два миллиарда раз больше, чем протонов и элек-тронов. Важнейшей составной Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по энергии.

Для того чтобы можно было сравнивать роль частиц и фо-тонов во Вселенной, была введена величина плотности энергии. Это количество энергии в 1 куб.см, точнее, среднее количество (исходя из предпосылки, что вещество во Вселенной распределено равномерно). Если сложить вместе энергию hвсех фотонов, присутствующих в 1 куб.см, то мы получим плотность энергии излучения Er . Сумма энергии