Модель большого взрыва хронология Вселенной в модели большого взрыва . Глобальные физич.эффекты: красное смещение и реликтовое излучение.Возраст наблюдаемой части вселенной

Возраст наблюдаемой части Вселенной.
Введение
История создания теории Большого взрыва
Физические эффекты: реликтовое излучение и красное смещение – косвенные признаки происхождения Вселенной
Эффект реликтового излучения
Эффект красного смещения
Возраст Вселенной, хронология Вселенной
Заключение
Список использованной литературы

Модель большого взрыва
хронология Вселенной в модели большого взрыва . Глобальные физич.эффекты: красное смещение и реликтовое излучение.Возраст наблюдаемой части вселенной

История развития Вселенной по модели Большого взрыва подразделяют на пять этапов, которые называют эрами. Эры различаются по продолжительности.
Начальное состояние Вселенной называют эрой хаоса или эрой Планка. По расчетам температура этой эры составляет 1032 град. К, а длительнось составляет 10 -44 с космического времени. Эта состояние называют сингулярностью. Чтобы выйти из сингулярного состояния необходимо, вероятно, какая-то внешняя сила, толчок или упорядоченность. В этом состоит одно из сложных положений теории Большого взрыва. Для объяснения происходящих в эту эру процессов выдвигали разные теории. Например, о рождении материи из истинного вакуума в центре «пузыря» за короткое время, в течение которого Вселенная нагревается с потерей части энергии. Материя в этот период состоит изнеразделенного вещества поля - пространства – времени.
Следующей эрой является адронная эра. Произошло выделение огромного количества энергии во время Большого взрыва и материя начинает разлетаться со скоростью света. Материя при этом несет за собой пространство-время. В этот период происходит образование из физического вакуума частиц – барионов и мезонов. Одновременно рождались античастицы адронов, которые аннигилировали при столкновениях с адронами. По расчетам размер Вселенной за эту эру увеличился от 3 см до 3 тыс. км за счет разлета материи. Плотность материи снизилась, а температура упала до 10 12 град. К. считается, что при этом отделились взаимодействия, они стали существовать как бы отдельно. За счет снижения энергии вакуума (этот процесс называют также инфляцией) стало не хватать энергии на образование новых адронов, и стала снижаться энергия фононов. В адронной эре образовались такие частицы как барионы, которые обеспечили образование во вселенной ядерного вещества.
Следующую эру называют эрой лептонов. В этот период развития Вселенной размер Вселенной увеличился от 3 тыс. км до 3 млн. км, плотность материи упала до 10 7 кг/м3. Температура же снизилась до 3 * 109 град. К. Энергии в этот период было достаточно только на образование более легких, чем адроны, частиц – электронов, мюонов, нейтрино, тау-лептонов и их античастиц. Согласно теоретическим расчетам, в этой эре преобладало образование электронов, благодаря чему в дальнейшем организовались атомы, состоящие из ядер и электронов.
Следующей за лептоновой эрой стала радиационная эра, которую подразделяют на безъядерную эпоху и эпоху вещества. Безъядерная эпоха считается начальным периодом радиационной эры. Температура Вселенной снизилась до 109 град. К, плотность материитакже снизилась от 10 7 и достигла величины 10 -3 кг/м3. В эту эпоху соотношение протонов и нейтронов было равным 8 к 1. Такое соотношение объясняет преобладание ядер и атомов водорода над ядрами и атомами гелия. Размер Вселенной в безъядерную эпоху увеличился почти вдвое и достиг 60 млн. км.
Следующая эпоха радиационной эры по космическому времени длилась 10 тыс. лет. Температура в эту эпоху упала настолько, что стали возможными ядерные реакции, т. е происходит образование и распад ядер. По расчетам кроме ядер существовали также свободные протоны и электроны. Взаимодействие их с фотонами делало Вселенную непрозрачной. Под понятием непрозразность надо понимать не оптическое бытовое понимание. Непрозрачными считаются Солнце, металл, огонь. Происходившие при этом ядерные реакции протекали с выделением мощных излучений, что и дало название эпохе.
В эпоху вещества все вещества оказались связанными в атомы. Это произошло в период времени, который по меркам космической шкалы оценивают от 300 до 500 тыс. лет. Важным этапом этой эпохи считается отделение излучения от вещества, в эту эпоху при излучении произошла яркая вспышка и Вселенная стала прозрачной, т.е. свет свободно проникает через пространство. На этом этапе вещество в пространстве Вселенной уже занимает пренебрежимо малую часть.
Эффект реликтового излучения
При описании отделения излучения от вещества на этом этапе развития Вселенной возникает много вопросов о механизме процесса. Приняли это утверждение только после достаточно случайно опыта. При отлаживании антенны для приема спутниковых сигналов ученые обнаружили радиоизлучение, длина волны которого соответствовала 3К. Это соответствовало по энергии излучению фотонов, которые отделились от вещества при температуре 103 - 104 град. К. Обнаруженное в 1964 году космическое излучение охлажденной до 3 К Вселенной назвали «реликтовым» излучением. Это открытие утвердило многих в правильности теории Большого взрыва. Ученые А. Пензиас и Р. Вильсон за это открытие были удостоены в 1976 году Нобелевской премии.
Расчеты времени показали, что отрыв реликтового излучения находится от нас на расстоянии около 12 млрд. световых лет. Обнаруженное реликтовое излучение подтверждает правильность нестационарной модели Вселенной. Реликтовое излучение убеждает многих в том, что с приближением к границе Вселенной увеличивается скорость движения галактик, а это означает увеличение объема вселенной.
Эффект красного смещения
Следующим экспериментальным подтверждением расширяющейся Вселенной является красное смещение в спектрах излучений галактик. Красное смещение было открыто в 1929 году американским астрономом Э. Хабблом по наблюдениям за спектрами галактик4. Согласно его расчетам скорость удаления галактик возрастает пропорционально расстоянию до них, Э. Хаббл рассчитал коэффициент пропорциональности. Красное смещение становится тем больше, чем дольше о наблюдателя находится объект. При изучении спектров звезд и галактик расчеты производили с учтом эффекта Доплера.
Эффект Доплера заключается в том, что если источник волн движется, то длина волны в направлении движения уменьшается, в потивоположном направлении – увеличивается длина волны. Если и приемник, и источник взаимно удаляются друг от друга, то длина принятой приемником волны будет увеличиваться в сравнении с длиной волны неподвижного источника. Увеличение длины волны спектральной линии означает ее сдвиг в сторону красной части спектра. Поэтому принято название, для открытого Э. Хабблом, явления «красное смещение».
Согласно расчетам по уравнению Хаббла скорость разбегания галактик увеличивается на 75 км/с на каждый млрд парсек (парсек – это 3,3 световых года, а под световыс годом понимают расстояние, которое проходит свет за один земной год).
Имеющиеся в настоящее время наблюдения за поведением звезд и галактик показали, что все галактики имеют красное смещение, пропорциональное расстоянию до них. Красное смещение, как и реликтовое излучение является убедительным подтверждением правильности теории Большого взрыва. Красное смещение позволяет по спектру излучения определять расстояние до галактик достаточно точно, Чем сильнее смещены линии в спектре, тем дальше, согласно эффекту Доплера, расположена от наблюдателя галактика.
Красное смещение, как и реликтовое излучение, подтверждает модели Фридмана о нестационарности Вселенной и объясняется увеличением скорости движения галактик с приближением к границе Вселенной.
Возраст Вселенной, хронология Вселенной
Согласно модели большого взрыва Образование Вселенной происходило в пять этапов. Первые четыре этапа были уже описаны выше, это эры хаоса, адронов, лептонов, радиации. Последняя эра называется современной или звездной. Первые четыре эры имеют незначительную длительность, хотя в эти промежутки времени произошли крайне важные физические события. Первые четыре периода описаны теоретически и позволяют понять физические процессы происходившии при образовании Вселенной5.
Только современная эра длится более 1млн. лет. Существуют расчеты, что длительность современной эры достигает 10 - 20 млрд. лет космического времени.
Последняя эра характеризуется тем, что в составе Вселенной появилось вещество, а главным видом взаимодействия материи стала гравитация. Гравитация является наиболеесложным для понимания процессов, происходящих в масштабах Вселенной.
В исследованиях, описывающих этапы Большого взрыва указывается, что в период современной эры происходит процесс структурной перестройки сформировавшегося и равномерно распределенного во Вселенной вещества. Для описания структурных перестроечных процессов последний период подразделяют также на несколько подпериодов, что позволяет их охарактеризовать.
На этапе 1-2 млн. лет космического времени в веществе Вселенной возникли сгустки одинаковых масс, к которым уже следует применять открытый Ньютоном закон Всемирного тяготения. Образование сгустков масс из хаотического переходит к перегруппировкам, упорядочивающим их положение. Для дальнейшего описания процессов упорядочивания необходимо применить теорию самоорганизации. Теория самоорганизации говорит о том, что в процессе развития система усложняется и приводит к образованию упорядоченных структур. При этом действуют два взаимопротивоположных механизма – объединение систем всех уровней и затем ее разделение. Определяющую роль здесь играет гравитационное взаимодействие.
В период от 1 до 3 млрд. лет во вселенной происходило формирование первых галактик, их называют протогалактиками. Протогалактики не были светящимися как современные галактики. Размеры и их формы были, по мнению многих ученых, подобны по форме симметрии и размерам современным галактикам.
Предполагают, что светящиеся галактики, на которые приходится около 90% вещества, образовались за счет разогревания в уже структурированной Вселенной.
На этапе 3-4 млрд. лет от рождения во Вселенной стали формироваться скопления галактик, причем эти скопления известны и в настоящее время. Скопления галактик содержат от 20 до 1000 галактик, скопления большого количества галактик принято называть сверхскопления. При таком, казалось бы, большом количестве галактик, галактики находятся достаточно далеко друг от друга.
Следующей точкой отсчета является период 4-5 млрд. лет, на этом этапе протогалактики сжимаются и образовывают в своей среде первичные звезды и межзвездное холодное вещество. Межзвездное вещество находится в газообразном состоянии.
Механизм образования первичных звезд описывают следующим образом. Холодное вещество стягивалось в малый объем, этот процесс адиабатического сжатия сопровождается нагреванием. Нагревание вещества в космическиз масштабах привело к распаду атомов вещества на ядра и электроны, а в ядрах стали происходить реакции синтеза, в результате которых образовались плазменные горячие светящиеся звезды. Это означает, что через 5 млрд. лет от образования Вселенной согласно модели Большого взрыва произошло образование в космосе первичных звезд.
Дальнейшая эволюция Вселенной – это звездные процессы. Именно поэтому современную эру называют также звездной эрой. После возникновения звезд и современных галактик эволюция Вселенной имеет доавольно стабильный характер. Определяющими здесь являются внутризвездные процессы. Внутризвездные процессы представляют реакции синтеза гелия-4, в результате этого звезды в течении милиардов лет являются источниками мощной электромагнитной энергии. Эта энергия выделяется в космическое пространство, по сути, происходят термоядерные реакции внутри звезд. Процессы звездных термоядерных реакций крайне сложны и до сих пор в современных условиях на Земле не удается повторить такие термоядерные реакции, хотя они кажутся человечеству применимыми для получения энергии.
Образование гелия из водорода внутри звездных пространств приводит звезды к их смерти. Наблюдения астрономов за звездами показало, что чем массивнее звезда, тем быстрее заканчиваются термоядерные реакции в ней и наступает ее смерть. Процесс умирания звезд длится все-таки до 10 млн. лет.