Билет 1. Происхождение Вселенной. Идеи и доказательства. Эволюция Вселенной

Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем, содержит лишь 1/9 вещества, из которого, согласно расчетам, должна быть образована масса Вселенной. Следовательно, от нас скрыто 8/9 массы ее вещества. В наблюдаемой форме Вселенная возникла около 12 — 15 млрд. лет назад. До этого времени все ее вещество находилось в условиях бесконечно больших температур и плотностей, которые современная физика не в состоянии описать. Такое состояние вещества называется “сингулярным”(Леметр). Теорию расширяющейся Вселенной или “Большого Взрыва” (Big Bang, англ.), впервые была создана А.А.Фридманом в России в 1922 г. С какого-то момента, отстоящего от нас на 15 млрд лет вещество, находящееся в сингулярном состоянии, подверглось внезапному расширению, которые в самых общих чертах можно уподобить взрыву, хотя и весьма своеобразному. Хогинг (метафизический характер).


Современная теоретическая физика достоверно описывает процессы “Большого Взрыва”, но только после 1/100 секунды с момента его начала. Так, температура в 1032 К была достигнута через 10-43 сек, 1010 К – через 1 сек., 109 К — через 1 минуту, 104 К — через 100 тыс. лет, а 103 К — через 1 миллион лет. Расширяющееся вещество становилось менее плотным и менее горячим. Первичный нуклеосинтез (40 г. Гамон) стал возможен уже через несколько минут после начала Большого Взрыва, а через 1 млн. лет и формирование атомов. С момента начала Большого Взрыва вещество Вселенной непрерывно расширяется и все объекты в ней и галактики и звезды равноудаляются друг от друга. Это расширение или инфляция «всех от всех» в настоящее время хорошо подтверждается рядом экспериментальных фактов.

1. «Разбегание» галактик и скоплений галактик. Доказательство этого явления связано с эффектом Доплера, заключающегося в том, что спектральные линии поглощения в наблюдаемых спектрах удаляющегося от нас объекта всегда смещаются в красную сторону, а приближающегося — в голубую. Во всех случаях наблюдения спектральных линий поглощения от галактик и далеких звезд, смещение происходит в красную сторону, причем, чем дальше отстоит от нас объект наблюдения, тем смещение больше.

Все галактики и звезды удаляются от нас и самые далекие из них удаляются с большей скоростью. Это закон Хаббла (1929 г): V=HR, где V — скорость удаления, R — расстояние до космического объекта, а Н – коэффициент пропорциональности или постоянная Хаббла, Н = 15 км/сек / 106 свет. лет ( 1 световой год = 9,6*1012 км или 6,3*104 А.Е.).

2. «Реликтовое излучение» — (1964 Пензиас и Вилсон )фоновое электромагнитное излучение на длине волны 7,35 см, одинаковое по всем направлениям и не зависящее от времени суток. Это излучение эквивалентно излучению, как говорят физики, абсолютно черного тела с Т ≈ 2,75 К. Излучение с такой низкой температурой представляет собой реликт равновесного электромагнитного излучения с очень высокой первоначальной температурой, существовавшего на самых ранних стадиях образования Вселенной, сразу же после начала «Большого Взрыва». С тех пор эффективная температура от многих миллионов упала до трех градусов Кельвина, а реликтовое излучение равномерно заполняет всю Вселенную.

3. Наблюдаемый химический состав Вселенной составляет по массе 3/4 водорода и 1/4 гелия. Все остальные элементы не превышают в составе Вселенной даже 1%. В такой пропорции 3:1 Н и Не образовались в самые первые минуты Большого Взрыва, а, кроме того, и легкие элементы: литий, дейтерий, тритий, но в ничтожном количестве. Тяжелые элементы образовались во Вселенной гораздо позже, когда в результате термоядерных реакций зажглись звезды, а при взрывах сверхновых звезд они оказались выброшены в космическое пространство.

Эволюция Вселенной. Современное значение плотности равно 10-29 г/см3. Если средняя плотность будет равна или несколько ниже критической плотности, Вселенная будет только расширяться, а если средняя плотность будет выше критической, то расширение Вселенной со временем прекратиться и она начнет сжиматься, возвращаясь к сингулярному состоянию. Сейчас существует гипотеза очень быстрого расширения.

Спустя примерно 1 млрд. лет после начала Большого Взрыва, в результате сжатия огромных газовых облаков или их протяженных газовых фрагментов, стали формироваться звезды и галактики, скопления миллионов звезд. Любая звезда формируется в результате коллапса космического облака газа и пыли. Когда сжатие в центре структуры приведет к очень высоким температурам, в центре “сгустка” начинаются ядерные реакции, т.е. превращение Н в Не с выделением огромной энергии, в результате излучения которой звезда и светится.

Обнаруженные в наши дни слабые вариации реликтового излучения в пространстве в форме температурных колебаний в пространстве, равные 0,001 % от средней величины, свидетельствуют о неравномерной плотности вещества во Вселенной. Вероятно, что это первичное различие в плотности и послужило как бы “затравкой” для возникновения в будущем скоплений галактик и галактик. Там, где плотность была выше средней, силы гравитации были больше, а, следовательно, уплотнение происходило сильнее и быстрее относительно соседних участков от которых вещество перемещалось в сторону более плотных сгущений. Так начиналось формирование галактик.

Только 200 лет назад В.Гершель открыл межзвездные облака, а до этого все пространство между звездами считалось эталоном пустоты. В 1975 г. были обнаружены гигантские молекулярные облака (ГМО), масса которых в миллионы раз больше Солнечной массы.