Реферати » Реферати з авіації і космонавтики » Еволюція всесвіту

Еволюція всесвіту

Введення


Процес еволюції Всесвіту відбувається дуже повільно. Адже Всесвіт у багато разів старше астрономії і взагалі людської культури. Зародження і еволюція життя на землі є лише нікчемним ланкою в еволюції
Всесвіту. І все ж дослідження проведені в нашому столітті, привідкрили завісу, що закриває від нас далеке минуле.

Сучасні астрономічні спостереження свідчать про те, що початком
Всесвіту, приблизно десять мільярдів років тому, був гігантський вогненна куля, розпечений і щільний. Його склад дуже простий. Цей вогненна куля був на стільки розжарений, що складався лише з вільних елементарних частинок, які стрімко рухалися, стикаючись один з одним.
Протягом десяти мільярдів років після "великого вибуху" найпростіше безформне речовина поступово перетворювалося на атоми, молекули, кристали, породи, планети. Народжувалися зірки, системи, що складаються з величезної кількості елементарних часток з дуже простої організацією. На деяких планетах могли виникнути форми життя.

Початок Всесвіту


Всесвіт постійно розширюється. Той момент з якого Всесвіт початку розширяться, прийнято вважати її початком. Тоді почалася перша і повна драматизму ера в історії всесвіту, її називають "великим вибухом" або англійським терміном Big Bang.

Під розширенням Всесвіту мається на увазі такий процес, коли те ж саме кількість елементарних частинок і фотонів займають постійно зростаючий обсяг. Середня щільність Всесвіту в результаті розширення поступово знижується. З цього випливає, що минулого Щільність Всесвіту була більше, ніж в даний час. Можна припустити, що в глибоку давнину (приблизно десять мільярдів років тому) щільність Всесвіту була дуже великою. Крім того високої повинна була бути і температура, настільки високою, що щільність випромінювання перевищувала щільність речовини. Інакше кажучи енергія всіх фотонів що містяться в 1 куб. см була більше суми загальної енергії частинок, які у 1 куб. см. На самому ранньому етапі, у перші миті "великого вибуху" вся матерія була сильно розпеченої і густою сумішшю часток, античастинок і високоенергічних гамма-фотонів. Частки при зіткненні з відповідними античастицами анігілювати, але виникають гамма-фотони моментально матеріалізувалися в частинки і античастинки.

Докладний аналіз показує, що температура речовини Т знижувалася в часі відповідно до простим співвідношенням:

T = 1010 K.

Ц t

Залежність температури Т від часу t дає нам можливість визначити, що наприклад, в момент, коли вік всесвіту обчислювався всього однієї десятитисячної секунди, її температура представляла одна більйон
кельвінів.

Температура розпеченої щільної матерії на початковому етапі Всесвіту з часом знижувалася, що і відображається в співвідношенні. Це означає, що знижувалася середня кінетична енергія часток kT. Згідно співвідношенню hn = kT знижувалася і енергія фотонів. Це можливо лише в тому випадку, якщо зменшиться їх частота n. Пониження енергії фотонів в часі мало для виникнення частинок і античастинок шляхом матеріалізації важливі наслідки.
Для того щоб фотон перетворився (матеріалізувався) в частку і античастинкуз масою mo і енергією спокою moc2, йому необхідно мати енергію 2moc2 або більшої. Ця залежність виражається так:

hn> = 2moc2

Згодом енергія фотонів знижувалася, і як тільки вона впала нижче твори енергії частинки і античастинки (2moc2), фотони вже не здатні були забезпечити виникнення частинок і античастинок з масою mo. Так, наприклад, фотон, що володіє енергією меншою, ніж 2.938 МеВ = 938 МеВ, не здатний матеріалізуватися в протон і антипротон, тому що енергія спокою протона дорівнює 938 МеВ.

У попередньому співвідношенні можна замінити енергію фотонів hn кінетичної енергією часток kT,

kT> = 2 moc2 тобто

T> = 2 moc2. k

Знак нерівності означає наступне: частинки і відповідні їм античастинки виникали при матеріалізації в розпеченому речовині до тих пір, поки температура речовини T не впала нижче значення.

2 moc2 k

На початковому етапі розширення Всесвіту з фотонів народжувалися частинки і античастинки. Цей процес постійно слабшав, що призвело до вимирання частинок і античастинок. Оскільки анігіляція може відбуватися при будь-якій температурі, постійно здійснюється процес частка + античастинка Ю 2 гамма-фотона за умови дотику речовини з антиречовиною. Процес матеріалізації гамма-фотон Ю частка + античастинка міг протікати лише при досить високій температурі. Згідно з тим, як матеріалізація в результаті знижується температури розжареного речовини призупинилася.
Еволюцію Всесвіту прийнято поділяти на чотири ери: адронів, лептонів, фотонів і зоряну.

А) адронний ера. При дуже високих температурах і щільності на самому початку існування Всесвіту матерія складалася з елементарних часток.
Речовина на ранньому етапі полягало насамперед з адронів, і тому рання ера еволюції Всесвіту називається адронів, незважаючи на те, що в той час існували і лептони.

Через мільйонну частку секунди з моменту народження Всесвіту, температура
T впала на 10 більйонів Кельвіна (1013K). Середня кінетична енергія частинок kT і фотонів hn становила близько мільярда ев (103 Мев), що відповідає енергії спокою баріонів. У першу мільйонну частку секунди еволюції Всесвіту відбувалася матеріалізація всіх баріонів необмежено, так само, як і анігіляція. Але після цього часу матеріалізація баріонів припинилася, тому що при температурі нижче 1013 K фотони не володіли вже достатньою енергією для її здійснення. Процес анігіляції баріонів і антібаріонов тривав до тих пір, поки тиск випромінювання не відокремив речовина від антиречовини. Нестабільні гіперонів (найважчі з баріонів) у процесі самовільного розпаду перетворилися на найлегші з баріонів (протони і нейтрони). Так у всесвіті зникла найбільша група баріонів - гіперонів. Нейтрони могли далі розпадатися в протони, які далі не розчинялися, інакше б порушився закон збереження баріонів заряду. Розпад гіперонів відбувався на етапі з 10-6 до 10-4 секунди.

До моменту, коли вік Всесвіту досяг однієї десятитисячної секунди
(10-4 с.), Температура її знизилася до 1012 K, а енергія частинок і фотонів представляла лише 100 МеВ. Її не вистачало вже для виникнення найлегших адронів - півонії. Півонії, що існували раніше, розпадалися, а нові не могли виникнути. Це означає, що до того моменту, коли вік Всесвіту досяг 10-4 с., В ній зникли всі мезони. На цьому й кінчається адронний ера, тому що півонії є не тільки найлегшими мезонами, але і найлегша адронів. Ніколи після цього сильна взаємодія (ядерна сила) не проявлялася у Всесвіті в такій мірі, як у адронний еру, що тривала всього лише одну десятитисячний частку секунди.

Б) Лептонний ера. Коли енергія частинок і фотонів знизилася в межах від
100 МеВ до 1 МеВ в речовині було багато лептонів. Температура була досить високою, щоб забезпечити інтенсивне виникнення електронів, позитронів і нейтрино. Ядерна фізика (протони і нейтрони), які пережили адронний еру, сталі в порівнянні з лептонами і фотонами зустрічатися набагато рідше.

Лептонний ера починається з розпаду останніх адронів - півонії - в мюони і мюонне нейтрино, а закінчується через кілька секунд при температурі 1010
K, коли енергія фотонів зменшилася до 1 Мев і матеріалізація електронів і позитронів припинилася. Під час цього етапу починається незалежне існування електронного і мюонного нейтрино, які ми називаємо
"реліктовими". Весь простір Всесвіту сповнене величезною кількістю реліктових електронних і мюонних нейтрино. Виникає нейтринної море.

В) Фотонна ера або ера випромінювання. На зміну лептони ери прийшла ера випромінювання, як тільки температура Всесвіту знизилася до 1010 K, а енергія гамма фотонів досягла 1 МеВ, відбулася лише анігіляція електронів і позитронів. Нові електронно-позитронного пари не могли виникати внаслідок матеріалізації, тому, що фотони не володіли достатньою енергією. Але анігіляція електронів і позитронів тривала далі, поки тиск випромінювання повністю не відокремив речовина від антиречовини. З часу адронний і лептони ери Всесвіт була заповнена фотонами. До кінця лептони ери фотонів було в два мільярди разів більше, ніж протонів і електронів. Найважливішою складовою Всесвіту після лептони ери стають фотони, причому не тільки за кількістю, але і по енергії.

Для того щоб можна було порівнювати роль частинок і фотонів у Всесвіті, була введена величина щільності енергії. Ця кількість енергії в 1 куб.см, точніше, середня кількість (виходячи з передумови, що речовина у
Всесвіті розподілена рівномірно). Якщо скласти докупи енергію hn всіх фотонів, присутніх в 1 куб.см, то ми отримаємо щільність енергії випромінювання Er. Сума енергії спокою всіх частинок в 1 куб.см є середньої енергією речовини Em у Всесвіті.

Внаслідок розширення Всесвіту знижувалася щільність енергії фотонів і частинок. Зі збільшенням відстані у Всесвіті в два рази, обсяг збільшився у вісім разів. Іншими словами, щільність частинок і фотонів знизилася в вісім разів. Але фотони в процесі розширення поводяться інакше, ніж частинки.
У той час як енергія спокою під час розширення Всесвіту не змінюється, енергія фотонів при розширенні зменшується. Фотони знижують свою частоту коливання, немов "втомлюються" з часом. Внаслідок цього щільність енергії фотонів (Er) падає швидше, ніж щільність енергії часток (Em).
Переважання у всесвіті фотонної складовою над складовою частинок (мається на увазі щільність енергії) протягом

Сторінки: 1 2

енциклопедія  з сиру  аджапсандалі  ананаси  узвар