МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ “БРАТСКИЙ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНЫЙ КОЛЛЕДЖ” Кафедра информационных систем, программирования и автоматизации РЕФЕРАТ По дисциплине: Физика Тема: Большой взрыв Выполнил: студент группы ИСП-231 Вайсбеккер М.А Братск 2024 Оглавление Введение .................................................................................................................. 3 Глава I. Теория Большого взрыва.......................................................................... 4 Глава II. Этапы эволюции Вселенной................................................................... 6 2.1 Инфляция ...................................................................................................... 6 2.2 Нуклеосинтез ................................................................................................ 8 2.3 Формирование галактик и звёзд ................................................................. 9 Глава III. Экспериментальное подтверждение .................................................. 10 3.1 Реликтовое излучение ............................................................................... 10 3.2 Красное смещение ..................................................................................... 11 Глава IV. Критика и альтернативные теории ..................................................... 12 4.1 Теория стационарной Вселенной ............................................................. 12 4.2 Критика ....................................................................................................... 13 Заключение ............................................................................................................ 14 Список используемой литературы ...................................................................... 15 2 Введение Среди множества научных теорий, объясняющих происхождение и эволюцию Вселенной, теория Большого взрыва занимает центральное место. Эта теория, возникшая в середине XX века, предлагает убедительное объяснение тому, как наша Вселенная возникла из одной точки и развивалась до своего нынешнего состояния. В данном реферате рассмотрены основные аспекты теории Большого взрыва, ее экспериментальные подтверждения и последние научные достижения, связанные с этой темой. Теория Большого взрыва не только объясняет происхождение Вселенной, но и предоставляет ключ к пониманию ее структуры, состава и динамики развития. Она основывается на законах физики, таких как законы сохранения энергии и импульса, а также на принципах термодинамики и квантовой механики. Важнейшим экспериментальным подтверждением теории является наблюдение реликтового излучения, которое представляет собой остаточное тепловое излучение, оставшееся от ранней Вселенной. В процессе исследования теории Большого взрыва, ученые столкнулись с множеством сложных вопросов, таких как природа тёмной материи и тёмной энергии, которые, по современным оценкам, составляют подавляющую часть Вселенной. Эти составляющие Вселенной до сих пор остаются малоизученными и представляют собой одну из наиболее захватывающих загадок современной космологии. В данном реферате также рассмотрена история возникновения теории Большого взрыва. В целом, теория Большого взрыва является одним из наиболее успешных и широко принятых объяснений природы нашей Вселенной. Она не только изменила наше понимание космоса, но и стимулировала развитие новых областей физики и астрономии, открывая новые горизонты для будущих исследований. 3 Глава I. Теория Большого взрыва Теория расширяющейся Вселенной была создана в 1922–1924 гг. в работах А. А. Фридмана и получила первое наблюдательное подтверждение в 1929 г., когда Э. Хаббл обнаружил разбегание галактик в соответствии с законом Хаббла. Поскольку Вселенная расширяется и её плотность уменьшается, в прошлом расстояния между галактиками были меньше и плотность Вселенной была выше. Это означало, что Вселенная должна была начать своё расширение из состояния с очень высокой плотностью. Теория горячей Вселенной была разработана Г. А. Гамовым в 1946–1948 гг., и на её основе было предсказано существование реликтового излучения. Теория Большого взрыва стала общепринятой после открытия реликтового излучения А. Пензиасом и Р. В. Вильсоном в 1964–1965 гг. Термин «Большой взрыв» впервые использовал Ф. Хойл во время выступления по радио в 1949 г. Согласно его формулировке, вся материя во Вселенной была создана в процессе единого большого взрыва в определённое время в отдалённом прошлом. С тех пор термин «Большой взрыв» стал нарицательным для наименования современной космологической теории. Согласно гипотезе, берущей своё начало с работ А. А. Фридмана, А. Эйнштейна и Ж. Леметра, расширение Вселенной началось около 13,8 млрд лет назад из состояния космологической сингулярности. По современным представлениям, физической причиной расширения являлось особое скалярное поле (инфлатон) с отрицательным давлением, которое порождало гравитационное отталкивание и тем самым заставляло раннюю Вселенную расширяться с очень большим ускорением. Эта стадия, называемая космологической инфляцией, длилась ничтожно малую долю секунды и закончилась примерно через 10−35 с после рождения Вселенной. При этом произошло рождение материи (горячей плазмы и излучения) за счёт потенциальной энергии инфлатона. Далее Вселенная расширялась по инерции с замедлением из-за обычного гравитационного притяжения материи. 4 В ходе расширения плотность и температура Вселенной падали, вследствие чего состояние материи претерпело ряд качественных изменений: электрослабый переход (разделение электрослабого взаимодействия на электромагнитное и слабое), конфайнмент кварков, рождение протонов и нейтронов, образование атомных ядер лёгких химических элементов (первичный нуклеосинтез), образование нейтральных атомов (эпоха рекомбинации), образование первых звезд, галактик и крупномасштабной структуры Вселенной из первичных возмущений и т. д. Спустя примерно 7,6 млрд лет после своего рождения Вселенная снова перешла от расширения с замедлением к расширению с ускорением, которое продолжается и в настоящее время. 5 Глава II. Этапы эволюции Вселенной 2.1 Инфляция Инфляционная стадия расширения Вселенной (космологическая инфляция) – гипотетическая стадия крайне быстрого расширения ранней Вселенной, предположительно имевшая место на самом раннем этапе её эволюции, когда её возраст составлял от 10−43до 10−37 с или немного больше. В ходе этой стадии Вселенная претерпела колоссальное расширение, характеризовавшееся почти экспоненциальным ростом всех пространственных масштабов. Термин «инфляция» очень точно описывает характер расширения Вселенной, в космологии он обозначает период быстрого роста пространственных масштабов. Факт расширения Вселенной был твёрдо установлен уже в 1930-х гг., однако причины расширения оставались неизвестными. Стандартная космологическая модель Фридмана не могла ответить на вопрос о физических причинах расширения Вселенной. Найти ответ удалось только в конце 20 в., применив к описанию ранней Вселенной новейшие результаты физики элементарных частиц. Ещё до возникновения в космологии терминов «инфляция» и «инфляционная модель Вселенной» основные свойства этой модели были исследованы советскими физиками Э. Б. Глинером, И. Г. Дымниковой в 1970х гг. Первые жизнеспособные инфляционные модели Вселенной были созданы советскими физиками А. Д. Линде и А. А. Старобинским. Большой вклад в исследование теоретических и наблюдательных проявлений ранней Вселенной внесли советские физики и космологи А. В. Веряскин, А. Г. Дорошкевич, Я. Б. Зельдович, В. Ф. Муханов, В. А. Рубаков, М. В. Сажин, Д. П. Скулачёв, И. А. Струков, Г. В. Чибисов и др. Первая теория инфляции была предложена А. Гутом, когда он исследовал проблему отсутствия магнитных монополей. В этой же работе было показано, что инфляция позволяет решить многие другие проблемы, которые назывались метафизическими проблемами космологии Фридмана. К ним Гут 6 отнёс проблему плоскостности и проблему горизонта. В процессе анализа следствий «теории космологической инфляции» выяснилось, что эта теория объясняет многие проблемы современной космологии. В их числе: физическая причина расширения Вселенной, спектр начальных флуктуаций плотности и первичных гравитационных волн, расширение по закону Хаббла. 7 2.2 Нуклеосинтез Первичный нуклеосинтез – совокупность процессов, приведшая к формированию первичного химического состава вещества (до образования звёзд). Считается, что первичный нуклеосинтез проходил в период от первой секунды до первых минут эволюции Вселенной. В результате термоядерных реакций и процессов бета-распада образовались наиболее распространённые химические элементы. Первая модель нуклеосинтеза была опубликована в 1948 году. Ее авторами были Георгий Гамов, задолго до этого эмигрировавший из СССР, и его аспирант Ральф Альфер. Их статья знаменита еще и тем, что Гамов ради шутки вписал в соавторы космолога Ханса Бете — получился список авторов, похожий на αβγ. Они предположили, что ядра всех элементов образуются путем нейтронного захвата. Протоны и нейтроны в молодой Вселенной объединялись между собой, присоединяли новые нейтроны и таким образом создали сразу всю таблицу Менделеева: теоретически из любого ядра можно получить следующее при помощи захвата одного или нескольких нейтронов и последующего бета-распада. 8 2.3 Формирование галактик и звёзд Возникновение галактик – появление крупных гравитационно-связанных скоплений материи, имевшее место в далёком прошлом Вселенной. Началось с конденсации нейтрального газа, начиная с окончания тёмных Веков. Удовлетворительной теории возникновения и эволюции галактик пока не существует. Есть несколько конкурирующих теорий, объясняющих это явление, но каждая имеет серьёзные проблемы. Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему. Вторая проблема — ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная — у скоплений меньших размеров. Любая теория, пытающаяся объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы (а также верно смоделировать морфологию галактик). Современная теория формирования крупномасштабной структуры, как впрочем и отдельных галактик, носит названия «иерархическая теория». Суть теории сводится к следующему: вначале галактики были небольшие по размеру, но со временем они сливаются, образуя всё большие галактики. 9 Глава III. Экспериментальное подтверждение 3.1 Реликтовое излучение Реликтовое излучение – космическое электромагнитное излучение, имеющее спектр абсолютно чёрного тела с температурой 𝑇 = 2,725 К. Даёт основной вклад в интенсивность фонового излучения Вселенной в диапазоне сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых длин волн; характеризуется высокой степенью изотропии (интенсивность одинакова во всех направлениях с точностью 10−5 ). Открытие реликтового излучения подтвердило теорию горячей Вселенной и стало важным экспериментальным свидетельством в пользу космологической модели Фридмана. Обнаружение реликтового излучения стало ключевым подтверждением теории Большого взрыва. Это излучение является остатком фотонов, которые были освобождены, когда Вселенная стала достаточно прозрачной для их распространения. Его однородность и изотропность подтверждают идею о том, что Вселенная прошла через фазу высокой температуры и плотности, когда все ее части были в тепловом равновесии. Его обнаружение и изучение продолжают играть ключевую роль в нашем понимании происхождения и эволюции Вселенной. Этот феномен не только подтверждает теоретические модели, но и открывает новые возможности для исследований в области космологии и физики элементарных частиц. 10 3.2 Красное смещение Красное смещение – увеличение длин волн (уменьшение частот) электромагнитного излучения источника, проявляющееся в сдвиге спектральных линий или других деталей спектра в сторону красного (длинноволнового) конца спектра. Оценку красного смещения обычно производят, измеряя смещение положения линий в спектре наблюдаемого объекта относительно спектральных линий эталонного источника с известными длинами волн. Особым случаем красного смещения является космологическое красное смещение, наблюдаемое в спектрах галактик и их систем. Впервые космологическое красное смещение было обнаружено в 1912–1914 гг. В. Слайфером, обратившим внимание на то, что линии в спектрах, полученных в то время для небольшого числа галактик, чаще всего смещены в сторону более длинных волн, т. е. галактики удаляются от нас. Красное смещение в спектрах далёких галактик возникает вследствие увеличения расстояний между ними, обусловленного расширением Вселенной. В среднем его значение линейно растёт с расстоянием до наблюдаемой галактики (закон Хаббла): во сколько раз дальше галактика, во столько раз больше её красное смещение. Закон Хаббла широко используется для оценки расстояния до галактик и их систем, однако этот закон не выполняется строго, поскольку на общую картину расширения Вселенной накладываются собственные скорости галактик, достигающие (в скоплениях галактик) тысячи и более км/с. Это открытие, известное как закон Хаббла, подтверждает, что Вселенная расширяется, что является одним из основных следствий теории Большого взрыва. Таким образом, красное смещение галактик служит прямым свидетельством расширения Вселенной и подтверждает основные положения теории Большого взрыва. 11 Глава IV. Критика и альтернативные теории 4.1 Теория стационарной Вселенной В 1940-е годы Хойл не принял теорию Большого Взрыва. Одним из недостатков этой теории было то, что из-за ошибок в измерении интенсивности излучпавпавпаения далеких галактик Хаббл неправильно рассчитал возраст Вселенной — 1,8 млрд лет. Геологи же утверждали, что Земля и Солнечная система, вполне возможно, насчитывают миллиарды лет. Как же могла Вселенная быть моложе собственных планет? По этой теории части Вселенной действительно расширялись, но новая материя постоянно создавалась из ничего, так что плотность Вселенной оставалась неизменной. Хотя Хойл не мог объяснить, каким же именно таинственным образом эта материя появлялась ниоткуда, теория незамедлительно привлекла сторонников, которые вступили в борьбу с приверженцами теории Большого Взрыва. Хойлу казалось нелогичным, что огненный катаклизм возник ниоткуда, став причиной того, что галактики разлетелись во все стороны. Он предпочитал спокойное создание вещества из ничего. Иными словами, такая Вселенная была бы безвременной. У нее не было ни начала, ни конца. Она просто была всегда. Однако в течение десятилетий во всех направлениях науки накапливалось все больше доказательств, опровергающих «теорию стационарной Вселенной». Хойл обнаружил, что его борьба обречена на верный проигрыш. По его теории, поскольку Вселенная не эволюционировала, а постоянно создавала новую материю, ранняя Вселенная должна была выглядеть очень похожей на Вселенную наших дней. Видимые нам сегодня галактики тоже должны были походить на те галактики, что существовали миллиарды лет назад. Ко всему прочему, за теорией Большого взрыва закрепилось слишком много “железных” доказательств, которые на данный момент нельзя опровергнуть. 12 4.2 Критика С тех пор, как ученые впервые предложили теорию большого взрыва, многие люди подвергали сомнению и критике эту модель. Вот краткое изложение некоторых наиболее распространенных критических замечаний в адрес теории большого взрыва: Это нарушает первый закон термодинамики, который гласит, что вы не можете создавать или уничтожать материю или энергию. Критики утверждают, что теория большого взрыва предполагает, что вселенная возникла из ничего. Сторонники теории большого взрыва говорят, что такая критика необоснованна по двум причинам. Первая заключается в том, что большой взрыв касается не сотворения вселенной, а скорее ее эволюции. Другая причина заключается в том, что, поскольку законы науки нарушаются по мере приближения к сотворению вселенной, нет оснований полагать, что первый закон термодинамики будет применим. Некоторые критики говорят, что образование звезд и галактик нарушает закон энтропии, который предполагает, что системы изменений со временем становятся менее организованными. Но если рассматривать раннюю вселенную как полностью однородную и изотропную, то нынешняя вселенная демонстрирует признаки подчинения закону энтропии. Некоторые астрофизики и космологи утверждают, что ученые неверно истолковали такие свидетельства, как красное смещение небесных тел и космическое микроволновое фоновое излучение. Некоторые ссылаются на отсутствие экзотических космических тел, которые, согласно теории, должны были образоваться в результате большого взрыва. 13 Заключение Теория Большого взрыва является наиболее широко принятой моделью происхождения и развития Вселенной. Доказательства в ее пользу накапливались на протяжении десятилетий, основываясь на наблюдениях и теоретических исследованиях. Реликтовое излучение и красное смещение галактик — два ключевых наблюдаемых явления, которые подтверждают основные положения этой теории. Реликтовое излучение свидетельствует о высокотемпературном прошлом Вселенной, а красное смещение указывает на ее расширение. Вместе эти явления создают убедительную картину того, как Вселенная развивалась с момента своего начала в результате Большого взрыва. Однако, несмотря на это, существуют и альтернативные теории, такие как теория стационарной Вселенной и другие, которые предлагают различные объяснения наблюдаемым явлениям. Критика теории Большого взрыва часто связана с недостаточным пониманием природы темной материи и темной энергии, а также с проблемами, связанными с начальными условиями Вселенной. Тем не менее, теория Большого взрыва остается наиболее широко принятой и поддерживаемой моделью эволюции Вселенной, хотя и продолжает развиваться и уточняться в свете новых наблюдений и теоретических разработок. 14 Список используемой литературы 1. Инфляционная стадия расширения Вселенной [Электронный ресурс]. – URL: https://bigenc.ru/c/infliatsionnaia-stadiia-rasshireniia-vselennoi1a8a36 (дата обращения: 23.05.2024) 2. Первичный нуклеосинтез [Электронный ресурс]. – URL: https://bigenc.ru/c/pervichnyi-nukleosintez-43a7f0 (дата обращения: 23.05.2024) 3. Нуклеосинтез: как появились химические элементы [Электронный ресурс]. – URL: https://postnauka.org/longreads/88762 (дата обращения: 23.05.2024) 4. История Вселенной [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/История_Вселенной (дата обращения: 23.05.2024) 5. Теория стационарной Вселенной [Электронный ресурс]. – URL: https://itera.fandom.com/ru/wiki/Теория_стационарной_Вселенной (дата обращения: 23.05.2024) 6. Problems With the Big Bang Theory [Электронный ресурс]. – URL: https://science.howstuffworks.com/dictionary/astronomy-terms/big-bangtheory7.htm (дата обращения: 23.05.2024) 7. Теория всего / С. Хокинг ; пер. с англ. Е.В. Шимановской. – Москва : АСТ, 2019. – 160 с.: ил. – (Мир Стивена Хокинга) 8. Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для тех, кому некогда / Н. Д. Тайсон — «Издательство АСТ», 2017 — (Удивительная Вселенная) 15
