Реферат: Эволюция вселенной

Реферат: Эволюция вселенной

Введение

Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная во много

раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция

жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной. И всё же

исследования проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес, закрывающий от

нас далекое прошлое.

Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом

Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский

огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный

шар был на столько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных

частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.

На протяжении десяти миллиардов лет после “большого взрыва” простейшее

бесформенное вещество постепенно превращалось в атомы, молекулы, кристаллы,

породы, планеты. Рождались звезды, системы, состоящие из огромного количества

элементарных частиц с весьма простой организацией. На некоторых планетах

могли возникнуть формы жизни.

Начало Вселенной

Вселенная постоянно расширяется. Тот момент с которого Вселенная начала

расширятся, принято считать ее началом. Тогда началась первая и полная

драматизма эра в истории вселенной, ее называют “большим взрывом” или

английским термином Big Bang.

Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда то же самое

количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий

объём. Средняя плотность Вселенной в результате расширения постепенно

понижается. Из этого следует, что в прошлом Плотность Вселенной была больше,

чем в настоящее время. Можно предположить, что в глубокой древности (примерно

десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была очень большой. Кроме того

высокой должна была быть и температура, настолько высокой, что плотность

излучения превышала плотность вещества. Иначе говоря энергия всех фотонов

содержащихся в 1 куб. см была больше суммы общей энергии частиц, содержащихся в

1 куб. см. На самом раннем этапе, в первые мгновения “большого взрыва”

вся материя была сильно раскаленной и густой смесью частиц, античастиц и

высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими

античастицами аннигилировали, но возникающие гамма-фотоны моментально

материализовались в частицы и античастицы.

Подробный анализ показывает, что температура вещества Т понижалась во

времени в соответствии с простым соотношением :

T = 1010 K .

Ö t

Зависимость температуры Т от времени t дает нам возможность

определить, что например, в момент, когда возраст вселенной исчислялся всего

одной десятитысячной секунды, её температура представляла один биллион

Кельвинов.

Температура раскаленной плотной материи на начальном этапе Вселенной со временем

понижалась, что и отражается в соотношении. Это значит, что понижалась средняя

кинетическая энергия частиц kT . Согласно соотношению hn=kT

понижалась и энергия фотонов. Это возможно лишь в том случае, если уменьшится их

частота n. Понижение энергии фотонов во времени имело для

возникновения частиц и античастиц путем материализации важные последствия. Для

того чтобы фотон превратился (материализовался) в частицу и античастицу с

массой mo и энергией покоя moc2, ему необходимо

обладать энергией 2moc2 или большей. Эта зависимость

выражается так :

hn >=2moc2

Со временем энергия фотонов понижалась, и как только она упала ниже произведения

энергии частицы и античастицы (2moc2),

фотоны уже не способны были обеспечить возникновение частиц и античастиц с

массой mo. Так, например, фотон, обладающий энергией меньшей, чем 2.938

Мэв = 938 Мэв, не способен материализоваться в протон и антипротон, потому что

энергия покоя протона равна 938 мэв.

В предыдущем соотношении можно заменить энергию фотонов hn кинетической

энергией частиц kT ,

kT >= 2 moc2

то есть

T >= 2 moc2 .

k

Знак неравенства означает следующее: частицы и соответствующие им античастицы

возникали при материализации в раскаленном веществе до тех пор, пока

температура вещества T не упала ниже значения.

2 moc2

k

На начальном этапе расширения Вселенной из фотонов рождались частицы и

античастицы. Этот процесс постоянно ослабевал, что привело к вымиранию частиц и

античастиц. Поскольку аннигиляция может происходить при любой температуре,

постоянно осуществляется процесс частица + античастица Þ

2 гамма-фотона при условии соприкосновения вещества с антивеществом.

Процесс материализации гамма-фотон Þ частица +

античастица мог протекать лишь при достаточно высокой температуре.

Согласно тому, как материализация в результате понижающейся температуры

раскаленного вещества приостановилась. Эволюцию Вселенной принято разделять на

четыре эры : адронную, лептонную, фотонную и звездную.

а) Адронная эра. При очень высоких температурах и плотности в самом

начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц.

Вещество на самом раннем этапе состояло прежде всего из адронов, и поэтому

ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то

время существовали и лептоны.

Через миллионную долю секунды с момента рождения Вселенной, температура T

упала на 10 биллионов Кельвинов(1013K). Средняя

кинетическая энергия частиц kT и фотонов hn составляла около

миллиарда эв (103 Мэв), что соответствует энергии

покоя барионов. В первую миллионную долю секунды эволюции Вселенной происходила

материализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но по

прошествии этого времени материализация барионов прекратилась, так как при

температуре ниже 1013 K фотоны не обладали уже

достаточной энергией для ее осуществления. Процесс аннигиляции барионов и

антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не отделило

вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в

процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов

(протоны и нейтроны). Так во вселенной исчезла самая большая группа барионов -

гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не

распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад

гиперонов происходил на этапе с 10-6 до 10-4

секунды.

К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды (10

-4 с.), температура ее понизилась до 1012 K, а

энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже

для возникновения самых легких адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее,

распадались, а новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту,

когда возраст Вселенной достиг 10-4 с., в ней исчезли все

мезоны. На этом и кончается адронная эра, потому что пионы являются не только

самыми легкими мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда после этого сильное

взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в

адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды.

б) Лептонная эра. Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах

от 100 Мэв до 1 Мэв в веществе было много лептонов. Температура

была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов,

позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру,

стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.

Лептонная эра начинается с распада последних адронов - пионов - в мюоны и

мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре 10

10 K, когда энергия ф