Подтверждение теории модели горячей вселенной

Модель горячей Вселенной

Эволюция Вселенной

В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель горячей Вселенной, или «Большого Взрыва», основы которой были заложены в трудах американского физика русского происхождения Дж. Гамова и его сотрудников в конце 40-х гг. XX в. В соответствии с этой концепцией Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой.

Ключ к пониманию ранних этапов эволюции Вселенной — в гигантском количестве теплоты, выделившейся при Большом Взрыве. В простейшем варианте теории горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала (сначала быстро, а затем все медленнее) от очень большой до довольно низкой, обеспечивавшей возникновение условий, благоприятных для образования звезд и галактик. На протяжении около 1 млн лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов, и, следовательно, космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы — это реликты эпохи, наступившей через 1 млн лет после Большого Взрыва.

Модель горячей Вселенной получила экспериментальное подтверждение после открытия в 1965 г. реликтового излучения — микроволнового фонового излучения с температурой около 3 К. Косвенным подтверждением этой модели служит также наблюдаемое обилие гелия, превышающее повсеместно 22% по массе, а также обнаруженное в межзвездном газе неожиданно высокое содержание дейтерия, происхождение которого можно объяснить лишь ядерными реакциями синтеза легких элементов в горячей Вселенной. Зная современную температуру реликтового излучения, можно провести экстраполяцию в прошлое, используя хорошо известные и проверенные законы механики, термодинамики, статистической, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц и др.*

* Фундаментальным открытием самых последних лет, конца XX в., является обнаружение пространственной анизотропии реликтового излучения, фона Вселенной. Это расширяет возможности релятивистской космологии, делает несущественным влияние различных мешающих познанию начальных этапов Вселенной факторов — рассеяние электромагнитных волн на свободных электронах, на холодном молекулярном газе, поглощение пылью и др.

Возможность установить процессы, происходившие в первые секунды и минуты существования Вселенной, безусловно, следует рассматривать как блестящее достижение современного естествознания. Моделирование первой секунды существования Вселенной приближает нас к главной загадке природы — самому акту «сотворения мира»! Первые секунды Вселенной — это время таинственных состояний вещества и неведомых сил природы. Конечно, здесь следует быть осторожным. Наши представления об этом отрезке времени основаны во многом на гипотезах и гипотетических экстраполяциях, теоретическом моделировании, во многом спорных и умозрительных.

Экстремальные условия первых секунд жизни Вселенной сегодня можно изучать экспериментально. На современных ускорителях элементарных частиц удается воспроизводить физические условия, существовавшие в то время, когда возраст Вселенной составлял 10 -4 с, когда температура достигала 10 12 К, а вся наблюдаемая сегодня Вселенная была «сжата» до размеров Солнечной системы. За этими границами возможна только теоретическая экстраполяция известных нам физических законов. В целом она не вызывает сомнений вплоть до того момента, когда начинают проявляться квантовые свойства гравитации.

Вблизи сингулярности решения релятивистских уравнений неприменимы, поскольку там должны проявляться квантовые свойства гравитации, а свойства вещества в этом состоянии неизвестны. Существующие теории вещества и тяготения применимы к состояниям материи, плотность и температура которой меньше планковских: ρ = 10 93 г/см 3 ; Т ≈ 10 32 К. Планковской плотности и температуре соответствует возраст Вселенной τ ≈ 10 -43 с и расстояние r ≈ 10 -33 см. В планковскую эпоху физические условия были таковы, что для их описания требуется еще несозданная квантовая теория тяготения, и поэтому для описания самых ранних моментов рождения Вселенной пользуются гипотетическими, умозрительными моделями.

11.7.2. Большой Взрыв: инфляционная модель

Первая и важнейшая проблема связана с причинами Большого Взрыва, сложившимися в первые мгновения Вселенной. Они моделируются так называемой гипотезой инфляционной Вселенной. В основе этой гипотезы — представление о существовании компенсирующей гравитационное притяжение силы космического отталкивания невероятной величины, которая смогла разорвать некое начальное состояние материи и вызвать ее расширение, продолжающееся по сей день. В этой модели начальное состояние Вселенной является вакуумным.

Физический вакуум — это наинизшее энергетическое состояние всех полей, форма материи, лишенная вещества и излучения, но характеризующаяся активностью, возникновением и уничтожением виртуальных частиц (постоянно «кипит», но не выкипает) и способностью находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями и давлениями, причем эти давления — отрицательные. Возбужденное состояние такого вакуума называют «ложным вакуумом», который способен создать гигантскую силу космического отталкивания. Эта сила и вызвала безудержное и стремительное раздувание «пузырей пространства» (зародышей одной или нескольких вселенных, каждая из которых характеризуется, допустим, своими фундаментальными постоянными*), в которых концентрировались колоссальные запасы энергии. Подобное раздувание Вселенной осуществлялось по экспоненте (за каждые 10 -32 с диаметр Вселенной увеличивался в 10 50 раз). Скорость раздувания значительно превосходила световую, но это не противоречит закону теории относительности, так как раздувание не связано с установлением причинно-следственных связей в веществе. Данный тип раздувания был назван инфляцией. Такое быстрое расширение означает, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве. А это и есть Большой Взрыв. В период квантовой космологии, т. е. с 10 -43 с по 10 -34 с произошло, по-видимому, и формирование пространственно-временных характеристик нашей Вселенной.

* О концепции множественности вселенных см.: Розенталь И.Л. Вселенная и частицы. М., 1990.

Но фаза инфляции не может быть длительной. Отрицательный (ложный) вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, следовательно, исчезает и инфляция. Вселенная переходит во власть обычного гравитационного притяжения. «Часы» Вселенной в этот момент показывали всего 10 -34 с. Но благодаря полученному первоначальному импульсу, приобретенному в процессе инфляции, расширение Вселенной продолжается, но неуклонно замедляется. Постепенное замедление расширения Вселенной — это единственный след, который сохранился до настоящего времени от начальных моментов Большого Взрыва.

В конце фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но по окончании фазы огромные запасы энергии, сосредоточенные в исходном физическом вакууме; высвободились в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до температуры примерно 10 27 К и энергии 10 14 ГэВ. С этого момента начинается эволюция горячей Вселенной. Благодаря энергии возникли вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать и испытывать последовательные фазовые переходы, в которых постепенно стали «кристаллизоваться» все ее элементы, наблюдаемые сегодня.

Инфляционная модель Большого Взрыва объясняет крупномасштабную однородность и изотропность Вселенной, образование структур галактик и их скоплений из первичных малых возмущений плотности, особенности изменения радиуса пространственной кривизны (современное значение его близко к единице, как и в момент Большого Взрыва).

Несмотря на то что инфляционная модель разработана пока только частично, тем не менее она позволяет успешно объяснить ряд фундаментальных космологических закономерностей. Большой Взрыв перестал быть загадкой, лежащей за пределами естествознания.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Теория горячей Вселенной

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 14 Апреля 2012 в 14:46, доклад

Краткое описание

Исторически первой еще в 1930-е годы была рассмотрена модель холодной Вселенной. Предполагалось, что все вещество существовало в виде холодных нейтронов. Однако, как выяснилось позднее, в такой Вселенной в результате цепочки ядерных реакций (с образованием протона, дейтерия и т. д.) все вещество, в конце концов, превратилось бы в гелий. Это противоречит наблюдениям, поскольку подавляющая часть вещества Вселенной состоит из водорода. Другой вариант теории холодной Вселенной был предложен Я. Б. Зельдовичем в начале 60-х годов. Он предполагал, что первоначально холодное вещество Вселенной состояло из смеси протонов, электронов и нейтрино. При расширении Вселенной такая смесь должна была превратиться в чисто водородную плазму. Что касается гелия и других химических элементов, то, согласно этой гипотезе, они синтезировались много позднее, после того, как образовались звезды. В отношении всех элементов, кроме гелия, это справедливо. Но обилие гелия (30 % от всего вещества Вселенной по массе) невозможно объяснить ядерными реакциями в звездах.

Содержимое работы — 1 файл

Теория горячей Вселенной.doc

Теория горячей Вселенной.

Советский и американский физик Георгий Антонович Гамов в 1946 году заложил основы одной из фундаментальных концепций современной космологии — теории «горячей Вселенной».

Гамов Г.А. выдвинул предположение о том, что расширение Вселенной началось с «горячего» состояния, когда вещество представляло собой смесь различных взаимодействующих между собой элементарных частиц высоких энергий

Теория горячей Вселенной — физическая теория эволюции Вселенной, в основе которой лежит предположение о том, что до того, как в природе появились звезды, галактики и другие астрономические объекты, вещество представляло собой быстро расширяющуюся и первоначально очень горячую среду.

Один из выводов, который вытекал из теории Гамова, состоял в том, что в настоящее время во Вселенной, помимо излучения звезд (и других источников), должно существовать электромагнитное излучение, образовавшееся в ту далекую эпоху, когда никаких звезд еще не было, а Вселенная представляла собой однородную горячую плазму. Согласно модели горячей Вселенной, плазма и электромагнитное излучение на ранних стадиях расширения Вселенной обладали высокой плотностью и температурой. В ходе космологического расширения Вселенной эта температура падала. При достижении температуры около 4000 К произошла рекомбинация протонов и электронов, после чего равновесие образовавшегося вещества (водорода и гелия) с излучением нарушилось — кванты излучения уже не обладали необходимой для ионизации вещества энергией и проходили через него как через прозрачную среду. Температура обособившегося излучения продолжала снижаться и к нашей эпохе составила около 3К. Таким образом, это излучение, названное реликтовым, сохранилось до наших дней как реликт от эпохи рекомбинации и образования нейтральных атомов водорода и гелия. Оно осталось как эхо бурного рождения Вселенной.

Несмотря на столь фундаментальный вывод, вытекающий из теории Гамова, никто не пытался его проверить. Надо сказать, что сам Гамов не надеялся на обнаружение реликтового излучения, так как полагал, что оно полностью маскируется излучением звезд, возникших на более поздней стадии эволюции Вселенной. В 1965 г. реликтовое излучение было открыто чисто случайно американскими физиками Р. Вилсоном и А. Пензиасом с помощью 7-метровой рупорной антенны, предназначенной для наблюдения искусственного спутника Земли «Эхо». Таким образом, теория горячей Вселенной получила экспериментальное подтверждение, а Пензиас и Вилсон за открытие реликтового излучения были удостоены Нобелевской премии.

В настоящее время теория горячей Вселенной считается общепризнанной,

Источник

Модель горячей Вселенной

Моде́ль горя́чей Вселе́нной — космологическая модель, в которой эволюция Вселенной начинается с состояния плотной горячей плазмы, состоящей из элементарных частиц, и протекает при дальнейшем адиабатическом космологическом расширении.

Впервые модель горячей Вселенной была предложена в 1947 году Г. А. Гамовым. Наиболее существенное наблюдательное предсказание, вытекающее из модели горячей Вселенной — наличие реликтового излучения со спектром, очень близким к спектру абсолютно чёрного тела с температурой около 2,7 кельвина, возникшего в момент рекомбинации ионов (в основном, водорода и гелия) и электронов в нейтральные атомы. Это убедительно доказали показания прибора FIRAS.

Возникновение крупномасштабной структуры Вселенной в рамках модели происходит вследствие роста начальных неоднородностей из-за гравитационной неустойчивости. Основной проблемой модели горячей Вселенной в этом аспекте является начальный спектр неоднородностей, который в ней не объясняется, а постулируется, либо берётся из измерений. Естественные же предположения о его форме (пуассоновское распределение) предсказывают возникновение на ранних стадиях масштабных неоднородностей и, соответственно, существенной анизотропии реликтового излучения, что противоречит наблюдаемым данным.

Происхождение элементарных частиц в модели горячей Вселенной с конца 1970-х годов описывают с помощью спонтанного нарушения симметрии. Многие недостатки модели горячей Вселенной были решены в 1980-х годах в результате построения инфляционной модели Вселенной.

Также важно отметить независимость данной теории от наличия или отсутствия Большого взрыва — вне зависимости от существования начальной космологической сингулярности, которую должна описать квантовая теория гравитации, состояние горячей плазмы, описываемое моделью горячей Вселенной и приводящее к современной наблюдаемой космологической картине, не меняется (помимо самых близких к сингулярности моментов). В то же время после открытия и измерения анизотропии реликтового излучения модель горячей Вселенной считается настолько хорошо подтверждённой наблюдениями, что произошло смешение понятий, и часто, когда говорят о Большом взрыве, на самом деле имеют в виду именно её.

До открытия реликтового излучения модель горячей Вселенной была лишь гипотезой и тогда Я. Б. Зельдович пропагандировал модель холодной Вселенной.

Связанные понятия

ΛCDM (читается «Лямбда-СиДиЭм») — сокращение от Lambda-Cold Dark Matter, современная стандартная космологическая модель, в которой пространственно-плоская Вселенная заполнена, помимо обычной барионной материи, тёмной энергией (описываемой космологической постоянной Λ в уравнениях Эйнштейна) и холодной тёмной материей (англ. Cold Dark Matter). Согласно этой модели возраст Вселенной равен 13,75 ± 0,11 миллиардов лет.

В астрономии и космологии темная жидкость является альтернативой теории как темной материи, так и темной энергии и пытается объяснить оба явления в единой структуре.Темная жидкость предполагает, что темная материя и темная энергия не являются отдельными физическими явлениями, как считалось ранее, и не имеют отдельного происхождения, но они тесно связаны друг с другом и могут рассматриваться как две грани одной жидкости. В галактических масштабах темная жидкость ведет себя как темная материя, а в.

Источник