Големият взрив и еволюцията на горещата вселена
Големият взрив и еволюцията на горещата вселена
Изследвайки отдалечени райони на космоса, ние гледаме в миналото. Виждаме най-отдалечените галактики такива, каквито са били преди много време, когато излъчваната от тях светлина е започнала дългото си пътуване през космоса.
Още най-древният човек е започнал да изучава Вселената. Небето беше достъпно за негово гледане - беше му интересно. Не е загубил интерес към изучаването на проблемите на космоса и съвременния човек. Но той гледа малко по-дълбоко. Той не просто се интересува от това какво представлява Вселената сега, той копнее за знания за това какво е било, когато Вселената се е родила? Преди колко време беше и как се случи?
За да се намери отговор на всички тези трудни отговори, беше определена специална ниша в астрономията - космологията.
Космологията се опита да отговори на тези въпроси. Създадена е теорията за Големия взрив, както и теории, описващи първите моменти от раждането на Вселената, нейния външен вид и структуриране. Всичко това ни позволява да разберем същността на физическите процеси, показва източниците, които създават съвременните закони на физиката, и дава възможност да се предскаже бъдещата съдба на Вселената. Следователно космологията, както всяка друга наука, живее и се развива бързо, носейки все повече фундаментални знания за света около нас.
Тази работа е посветена на проблема с изучаването на произхода на нашата Вселена. В съответствие с тази цел бяха поставени и решени следните задачи: да се разгледа теорията за Големия взрив, както и първия момент от живота на Вселената.
Науката за Вселената като цяло се нарича космология. Една от основните му задачи е да разбере как Вселената е стигнала до сегашното си състояние по време на своето развитие и след товапрогнозира как ще се държи в бъдеще. През последните години много учени са загрижени за важния въпрос за това как наблюдаваната сега структура на вселената е била повлияна от физическите процеси, действали по време на Големия взрив.
Основните положения на съвременната космология започнаха да се оформят след създаването през 1917 г. от Айнщайн на първия релативистичен модел, основан на теорията на гравитацията и претендиращ да описва цялата Вселена. Този модел характеризира стационарното състояние на Вселената и, както показват астрофизичните наблюдения, се оказва неправилен.
Важна стъпка в развитието на космологията е направена през 1922 г. от професора от Петроградския университет А. А. Фридман. В резултат на решаването на космологичните уравнения той стигна до извода: Вселената не може да бъде в стационарно състояние - тя трябва да се разширява или свива.
Следващата стъпка е направена през 1924 г., когато Хъбъл измерва разстоянието до най-близките галактики и така открива света на галактиките. През 1929 г. червеното изместване на линиите в радиационния спектър на галактиките експериментално потвърди теоретичното заключение на Фридман за разширяването на Вселената. От резултатите от наблюдението следва, че рецесията на галактиките се увеличава с около 75 km/s за всеки милион парсека (1 парсек = 3,3 светлинни години). При тази скорост екстраполацията към миналото води до заключението, че възрастта на Вселената е около 15 милиарда години, което означава, че цялата Вселена е била концентрирана в много малка област преди 15 милиарда години. Предполага се, че плътността на материята във Вселената е била сравнима с плътността на атомно ядро, а цялата Вселена е била огромна ядрена капка. По някаква причина ядрената капка беше в нестабилно състояние и експлодира. Това предположение е в основата на концепцията за Големия взрив. В тази концепциясе предполага, че разширяването на Вселената е станало със същата скорост, започвайки от момента на експлозията на ядрената капка.
В момента се обсъжда друга хипотеза - хипотезата за пулсираща Вселена: Вселената не винаги се е разширявала, а пулсира между крайните граници на плътност. От това следва, че в миналото скоростта на отдалечаване на галактиките е била по-малка от сега и е имало периоди, когато Вселената е била компресирана, тоест галактиките са се приближавали една към друга и колкото по-голяма е скоростта, толкова по-голямо е разстоянието, което ги разделя.
С развитието на естествознанието и особено на ядрената физика бяха изказани различни хипотези за физическите процеси в ранните етапи на космологичното разширение. В основата на съвременните представи за еволюцията на Вселената е моделът на горещата Вселена, или „Големият взрив“, чиито основи са положени в трудовете на американския физик от български произход Дж. Гъмов и неговите сътрудници в края на 40-те години. ХХ век. Разглежда ядрените процеси, протичащи в началния момент от разширяването на Вселената в много плътна материя с изключително висока температура. Докато Вселената се разширяваше, плътната материя се охлаждаше.
От този модел следват два извода:
- Веществото, от което са родени първите звезди, се състои основно от водород (75%) и хелий (25%)
- В днешната Вселена трябва да се наблюдава слабо електромагнитно излъчване, което е запазило паметта за началния етап от развитието на Вселената и поради това е наречено реликва.
Ключът към разбирането на ранните етапи от еволюцията на Вселената е в гигантското количество топлина, отделена по време на Големия взрив. В теорията за горещата Вселена се приема, че Вселената е възникнала спонтанно в резултат на експлозия от състояние с много висока плътност и енергия (състояние на сингулярност). КатоПо време на разширяването на Вселената температурата спада (първо бързо, а след това по-бавно) от много висока до доста ниска, осигурявайки благоприятни условия за образуването на звезди и галактики. За дълъг период от време температурата надвишава няколко хиляди градуса, което предотвратява образуването на атоми и следователно космическото вещество има формата на нагрята плазма, състояща се от йонизиран водород и хелий. Едва когато температурата на Вселената падна приблизително до температурата на повърхността на слънцето, се появиха първите атоми. По този начин атомите са реликви от ерата, настъпила след Големия взрив.
Възможността да се установят процесите, протичащи в първите секунди и минути от съществуването на Вселената, разбира се, трябва да се счита за блестящо постижение на съвременната естествознание. Симулацията на първата секунда от съществуването на Вселената ни доближава до основната мистерия на природата - самия акт на "сътворението на света"! Първите секунди на Вселената са времето на мистериозни състояния на материята и непознати природни сили.
Разбира се, тук трябва да внимавате. Нашите представи за този период от време до голяма степен се основават на хипотези и хипотетични екстраполации, теоретично моделиране.
„Температурата на Вселената във всеки един момент е пряко свързана с нейния размер и възраст. Често се оказва удобно да се измерва възрастта на Вселената директно по отношение на нейната температура. Следователно по-висока температура съответства на по-ранно време.“ [1] Например, когато Вселената е била на около една секунда, нейната температура е била приблизително 10 милиарда градуса.
Най-ранната вселена е била значително по-гореща от 10 милиарда градуса. Материята под формата на атоми не би могла да съществува. Атомите все още не са се появиливъзрастта на Вселената не е достигнала около триста хиляди години. Освен това ядрата стават стабилни само след няколко минути. Когато Вселената е била още по-млада, тя се е състояла от много плътна смес от частици и античастици от различни видове.
За да си представим млада, разширяваща се вселена, е полезно да разгледаме следната аналогия. Да предположим, че в студена зимна нощ сме загрели фурната, така че температурата в нея да надхвърли сто градуса. Ако поставим пара във фурната, тя ще остане в този вид, докато нагревателят е включен. Но какво се случва, ако изключим котлона и го занесем на място, където температурата е доста под точката на замръзване на водата? Ясно е, че фурната ще започне да изстива. Веднага щом температурата спадне, парата кондензира във вода, след което водата замръзва и се превръща в лед. Последователни преходи от пара към вода и от вода към лед възникват веднага щом температурата стане достатъчно ниска. Историята на водата в охладителната пещ може да бъде разделена на три отделни периода, съответстващи на времето, през което водата е била в газообразна, течна или твърда фаза.
Развитието на ранната Вселена може да се представи и като състоящо се от отделни периоди. Тези периоди са ограничени от специални свойства, в които материята се появява през определено време. Материята в една разширяваща се вселена се охлажда почти по същия начин като парата в термостат. С разширяването на Вселената температурата спада и в крайна сметка достига критична стойност, което кара материята да промени основните си свойства.
По време на Големия взрив имаше редица фундаментални промени, които разделиха тези периоди един от друг.
Първото значимо събитие в историята на Вселената е нейното възникване. По принцип този момент може да се използва заопределяне на нулевата отправна точка във времето. Първите 10 -43 сек. Историите на Вселената са известни като време на Планк. Когато Вселената достигна тази възраст, започна периодът на суперструните. Разстоянието, което светлината може да измине за времето на Планк, е 10 -35 метра. Тази скала е известна като дължина на Планк, тъй като нищо не може да пътува по-бързо от светлината, дължината на Планк представлява размера на Вселената, наблюдавана по това време. Следователно периодът на суперструните понякога се нарича период на Планк.