Концепция Большого взрыва. Что взорвалось? Почему взорвалось? Что происходило дальше?

Зимняя сессия

1 семинар:

3.Объекты микромира:

Все многообразие известных человечеству объектов и свойственных им явлений обычно разделяется на три качественно различные области — микро-, макро- и мегамиры (см. таблицу).

микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10~8 до 10~16 см, а время жизни – от бесконечности до 10~24 секунды;

Элементарные частицы – это частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома. К ним относят также и те частицы, которые получают при помощи мощных ускорителей частиц. Есть элементарные частицы, которые возникают при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют миллионные доли секунды, затем распадаются, превращаются в другие элементарные частицы или испускают энергию в форме излучения. К наиболее известным элементарным частицам относятся электрон, фотон, пи-мезон, мюон, нейтрино. В строгом смысле слова элементарные частицы не должны содержать в себе какие-либо другие частицы. Однако далеко не все из наиболее известных элементарных частиц удовлетворяют этому требованию. Было обнаружено, что элементарные частицы могут взаимно превращаться, т.е. не являются «последними кирпичиками» мироздания. В настоящее время уже известны сотни элементарных частиц, хотя согласно теории их число не должно быть особенно большим. Новейшие исследования, в частности, подтверждают выдвинутую ранее гипотезу о существовании еще «более элементарных» частиц – кварков.

Элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. На основании некоторых из них можно дать классификацию элементарных частиц.

Так, одной из важных характеристик частиц является их масса. Причем во внимание берется масса покоя частиц, так как при движении частиц с большими скоростями их масса сильно возрастает. Это заставляло ученых некоторое время ошибочно считать, что они открыли новые частицы. За единицу отсчета берется масса покоя электрона. Он считается самой легкой из всех частиц. В зависимости от массы покоя все частицы можно разделить:

• 
  на частицы, не имеющие массы покоя. Это фотоны, движущиеся со скоростью света;
• 
  лептоны – легкие частицы. К ним относятся электрон и нейтрино;
• 
  мезоны – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;
• 
  барионы – тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона. К ним относятся протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы.

Другой важной характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда – заряду электрона (–1). Заряд может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Должны существовать также частицы с дробным электрическим зарядом – кварки.

Время жизни – еще одна характеристика частиц. При этом различают стабильные и нестабильные частицы. К стабильным частицам относятся фотон, электрон, протон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома. Свободный нейтрон распадается в среднем за 15 минут. Все остальные частицы – нестабильные, они существуют 10^-10 – 10^-24 с. Самые короткоживущие частицы называются резонансами. Эти частицы распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Их время жизни – 10^-25 – 10^-26 с. Существование этих частиц вычислено теоретически, в реальных экспериментах они не фиксируются. Разумеется, наиболее важная роль в мире принадлежит стабильным частицам, из которых и состоят все макротела.

По типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, все они подразделяются:

• 
  на лептоны, участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействиях;
• 
  адроны, участвующие также и в сильном взаимодействии;
• 
  частицы – переносчики взаимодействий.

Но самой важной характеристикой частиц является спин- собственный момент количества движения (импульса) частицы.

В классической механике такая величина характеризует вращение тела, например волчка. Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицы теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными шариками. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения в их непрерывной последовательности, спин принимает только положительные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка. Коэффициент пропорциональности называется спиновым квантовым числом. У одних частиц он имеет целочисленные значения (0, 1, 2), а у других – полуцелые значения (1/2, 3/2). Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частица со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота на 360°, а частица со спином 2 – после оборота на 180°. Чтобы легче представить себе частицы с различными спинами, можно провести аналогию и сравнить частицу со спином 0 с точкой, со спином 1 – со стрелой, а со спином 2 – со стрелой, заточенной с обеих сторон. Частицы со спином 1/2 принимают тот же вид При повороте на 720°.

Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Исходя из этого значения, можно систематизировать и классифицировать данные обо всех элементарных частицах, разделив их на частицы вещества и частицы полей.

Частицы с полуцелым спином называются фермионами (в честь известного физика Э. Ферми). Это не что иное, как частицы вещества, которые, хотя и обладают волновыми свойствами, но в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы. К ним относятся такие известные частицы, как электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен 1/2. Известна частица, спин которой равен 3/2 – омега-гиперон. Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона – частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния, т.е. совокупность характеризующих частицу параметров, не одинаковы. Этот закон в квантовой механике называется запретом Паули. Если бы этого запрета не существовало, то еще в первые мгновения существования нашей Вселенной образовавшиеся частицы вещества слиплись бы и превратились в более или менее однородное «желе», не позволив образоваться современной структурной Вселенной.

Частицы с целочисленным спином называются бозонами (в честь индийского физика Ч. Бозе). Бозоны – это кванты полей, которые, хотя и обладают корпускулярными свойствами, в классическом пределе выступают как поля. На них запрет Паули не распространяется. Примером бозонов служат фотоны, спин которых равен 1, и мезоны, спин которых равен 0. Возможно, существуют частицы со спином 2 – гравитоны.

Лептоны. Это легкие элементарные частицы, спин которых равен 1/2. Наиболее известен из этой группы электрон – первая открытая элементарная частица. Другой хорошо известный лептон, но уже без электрического заряда, это нейтрино – практически неуловимая частица, обладающая очень высокой проникающей способностью. Нейтрино являются самыми распространенными частицами во Вселенной. Их существование получило экспериментальное подтверждение через тридцать лет после того, как они были предсказаны. Для этого физикам пришлось ждать создания ядерных реакторов, при работе которых испускается огромное количество нейтрино. Только тогда удалось зафиксировать лобовое столкновение одной частицы с ядром и тем самым доказать, что она действительно существует. Согласно некоторым данным, нейтрино обладает крохотной, но не нулевой массой в одну десятитысячную массы электрона. Если это так, то при преобладании нейтрино во Вселенной (их больше протонов и нейтронов в миллиард раз) в будущем наш мир может ждать коллапс, стягивание Вселенной в маленькую точку.

Среди прочих лептонов следует назвать мюон открытый в 1936 г. в продуктах взаимодействия космических лучей. Он оказался одной из первых открытых нестабильных частиц. Во всех других отношениях, кроме стабильности, он напоминает электрон – имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу. Мюоны широко распространены в природе, на их долю приходится значительная часть фонового космического излучения, регистрирующегося на поверхности Земли.

В конце 70-х годов был обнаружен еще один лептон, названный тау-лептоном. Он тяжелее мюона, в остальном же похож на него и на электрон.

В 60-е годы было установлено, что существует несколько видов нейтрино – в паре с каждым заряженным лептоном. Таким образом, есть электронное, мюонное и тау-лептонное нейтрино.

В таком случае, общее число лептонов равно шести. С учетом того, что у каждого лептона есть античастица, общее число этих частиц – 12.

Адроны.Этих частиц известно сотни. Они также являются фермионами. Наиболее известными адронами являются протоны и нейтроны, их еще называют барионами. Остальные частицы этого класса нестабильны и быстро распадаются. Помимо барионов, к адронам также относятся тяжелые частицы – гипероны, мезоны и большое количество резонансов. Исследования 50-х годов показали, что, скорее всего, адроны не являются элементарными частицами, аи построены из более мелких составляющих. Тайна адронов была открыта в 60-е годы, когда была создана кварковая модель адронов.

^ Частицы – переносчики взаимодействия.Лептоны и адроны, являющиеся фермионами, представляют собой вещество нашего мира. Но есть еще один тип частиц, которые не являются веществом, а обеспечивают только соединение, взаимодействие частиц вещества между собой, не позволяя миру распадаться на части. Эти частицы являются бозонами.

Существует четыре типа фундаментальных физических взаимодействий. У каждого из них – свои частицы-переносчики. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон, гравитационного взаимодействия – гравитон, слабого взаимодействия – три тяжелых векторных бозона, сильного взаимодействия – глюоны.

Атомное ядро́ — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.

Химический элемент есть вид атомов, характеризующийся одинаковым зарядом ядра.

В результате сочетания одноатомных молекул образуется простое вещество, которое является формой существования химического элемента в свободном состоянии. Сочетание разных атомов дает сложное вещество, т. е. химическое соединение. Многие химические элементы образуют не одно, а несколько простых веществ. Такое явление называется аллотропией, а каждое из этих простых веществ - аллотропным видоизменением (модификацией) данного вещества.

Существование аллотропных видоизменений обусловлено неодинаковой кристаллической структурой простых веществ или различным числом атомов, входящих в состав молекул отдельных аллотропных форм.

Аллотропия наблюдается у углерода, кислорода, серы, фосфора и ряда других элементов. Так графит и алмаз - аллотропные видоизменения химического элемента углерода. При сгорании каждого из этих веществ образуется диоксид углерода (CO₂). Это подтверждает то, что графит и алмаз состоят из одинаковых атомов - атомов химического элемента углерода.

Для серы известны 3 аллотропных модификации: ромбическая, моноклинная и пластическая (некристаллическая форма). Все они состоят из атомов серы и при их сгорании в кислороде образуется одно и то же вещество - сернистый газ (SO₂). Фосфор образует 3 аллотропные модификации - белый, красный и черный фосфор. Продуктом их сгорания является гемипентаоксид фосфора (Р₂О₅).

Аллотропные видоизменения химического элемента различаются физическими свойствами и химической активностью. Так белый фосфор светится в темноте, очень ядовит, воспламеняется на воздухе, легко вступает в химические реакции с другими элементами. Красный фосфор, напротив, не светится, не ядовит, не воспламеняется на воздухе, в химические реакции вступает при более высоких температурах, чем белый.

Изото́пы (от др.-греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») — разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный номер, но при этом разные массовые числа. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева. Химические свойства атома зависят от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём), и почти не зависят от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число (например, ¹²C, ²²²Rn). Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа (например, углерод-12, радон-222). Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия (например, дейтерий, актинон).

Нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другие ядра с испусканием частиц. Это свойство ядер называется радиоактивностью. У больших ядер нестабильность возникает вследствие конкуренции между притяжением нуклонов ядерными силами и кулоновским отталкиванием протонов. Стабильных ядер с зарядовым числом Z > 83 и массовым числом A > 209 не существует. Но радиоактивными могут оказаться и ядра атомов с существенно меньшими значениями чисел Z и A. Если ядро содержит значительно больше протонов, чем нейтронов, то нестабильность обуславливается избытком энергии кулоновского взаимодействия. Ядра, которые содержат избыток нейтронов, оказываются нестабильными вследствие того, что масса нейтрона превышает массу протона. Увеличение массы ядра приводит к увеличению его энергии.

Модель атома Джозефом Джоном Томсоном

Атом по Томсону состоит из электронов, помещённых в положительно заряженный «суп», компенсирующий отрицательные заряды электронов, подобно отрицательно заряженным «изюминкам» в положительно заряженном «пудинге». Электроны, как предполагалось, были распределены по всему атому. Было несколько вариантов возможного расположения электронов внутри атома, в частности вращающиеся кольца электронов. В некоторых вариантах модели вместо «супа» предлагалось «облако» положительного заряда.

Основные работы Резерфорда относятся к физике атома и ядра. Он первым обнаружил (в 1899 г.), что излучение радиоактивных элементов имеет сложный состав; двум компонентам этого излучения он дал названия – -лучи и -лучи. Позднее он установил природу -лучей, отождествив их с дважды ионизированным атомом гелия: Результаты эксперимента оказались неожиданными: подавляющая часть -частиц проходила сквозь фольгу практически без отклонения или с отклонением на малые углы по отношению к направлению своего первоначального полёта, но небольшая часть -частиц отклонялась на значительные углы, достигающие почти 180°. Применив методы теории вероятностей, Резерфорд показал, что такие отклонения не могут быть следствием многократных столкновений -частиц с атомами, поэтому объяснить этот результат на основе модели атома Томсона невозможно.

Модель атома Н. Бора, разрешавшая эти противоречия, базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая;

2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии.

Молекула — наименьшая частица вещества, состоящая из одинаковых или различных атомов, соединенных между собой химическими связями, и являющаяся носителем его основных химических и физических свойств.

Химическая связь - это взаимодействие двух атомов, осуществляемое путем обмена электронами. При образовании химической связи атомы стремятся приобрести устойчивую восьмиэлектронную (или двухэлектронную) внешнюю оболочку, соответствующую строению атома ближайшего инертного газа. Различают следующие виды химической связи:ковалентная (полярная и неполярная; обменная и донорно-акцепторная), ионная, водородная и металлическая.

Ионы - это заряженные частицы, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов.

®

(фторид натрия состоит из ионов натрия Na⁺ и фторид-ионов F^-)

Водородная связь - зто связь между положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и отрицательно заряженным атомом другой молекулы. Водородная связь имеет частично электростатический, частично донорно-акцепторный характер.

Водородная связь изображена точками

Валентные электроны металлов достаточно слабо связаны со своими ядрами и могут легко отрываться от них. Поэтому металл содержит ряд положительных ионов, расположенных в определенных положениях кристаллической решетки, и большое количество электронов, свободно перемещающихся по всему кристаллу. Электроны в металле осуществляют связь между всеми атомами металла.

Осуществляется за счет электронной пары, принадлежащей обоим атомам. Различают обменный и донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи.

1) Обменный механизм. Каждый атом дает по одному неспаренному электрону в общую электронную пару:

H• + •H ® H : H

®

2) Донорно-акцепторный механизм. Один атом (донор) предоставляет электронную пару, а другой атом (акцептор) предоставляет для этой пары свободную орбиталь;

®

Два атома могут обобществлять неcколько пар электронов. В этом случае говорят о кратных связях:

®

(или NºN) – тройная связь

Если электронная плотность расположена симметрично между атомами, ковалентная связь называется неполярной.

Если электронная плотность смещена в сторону одного из атомов, то ковалентная связь называется полярной.

Полярность связи тем больше, чем больше разность электроотрицательностей атомов.

Электроотрицательность - это способность атома притягивать электронную плотность от других атомов. Самый электроотрицательный элемент - фтор, самый электроположительный - франций.

Семинар №2

Концепция Большого взрыва. Что взорвалось? Почему взорвалось? Что происходило дальше?

Предыдущая вселенная перед взрывом состояла из небольшого количества почти полностью выгоревших галактик. Основным элементом в этих галактиках было железо. Вселенную освещали только жёлтые и красные звёзды, но горели они значительно ярче, чем сейчас.Если во вселенной и существовала жизнь, то она была сосредоточена вокруг этих звёзд и была обречена на гибель. В центре вселенной находилась "ЧЁРНАЯ ДЫРА", в которую и падали все эти галактики. А в центре "ЧЁРНОЙ ДЫРЫ" находилась гигантская звезда, размерами превосходящая самую большую галактику. Эта звезда под действием гравитации сжималась, и сначала кванты энергии начали входить друг в друга, образуя единый квант энергии, имеющий положительный заряд. При дальнейшем сжатии начался мгновенный переход вакуума в энергию. Стоит более подробно остановиться на природе вакуума. Распадаться могут не только элементарные частицы, но и сам квант. При этом образуются кванты с дробным зарядом. Кванты энергии, имеющие дробный заряд, меньше единицы, не могут иметь полей. Из этих квантов энергии, не имеющих полей, и ничто-пустоты и состоит вакуум. Эти неполноценные кванты называются "Снарками". Для того чтобы несколько снарков превратились в полноценный квант, необходимо, чтобы они вошли друг в друга. Для этого надо огромное давление. Такое давление и создала первичная звезда.

Как только давление достигло критического уровня, весь вакуум внутри первичного тела мгновенно превратился в энергию. Все поля являются энергиями, а энергии возникают в результате взаимодействия двух объектов, имеющих разный энергетический уровень. Если одного из составляющих нет, то и создание энергии, а значит и полей, невозможно. Вакуум, игравший роль объекта, имеющего низкий энергетический уровень, превратился в энергию, и кванту стало не с чем взаимодействовать, для создания полей. Гравитационное поле мгновенно уменьшилось, и звезда вышла из коллапса. Сжатие ядра гигантской звезды уменьшилось, и она сбросила наружную оболочку. Произошел эффект сжатой пружины, которая, при уменьшении сжатия, распрямляется. Кванты подобной энергетической плотности в природе существовать не могут. Для уменьшения своей энергетической плотности он должен был увеличить длину волны, а, значит, увеличиваться в объёме. При взаимодействии протокванта и внешнего вакуума, образовалось гигантское электрическое поле. Именно из этого электрического поля и вакуума и стали образовываться протоны. Энергию электрического поля поддерживал протоквант, теряя энергию на его поддержание. Этот суперфотон увеличивался в объёме со скоростью света, и протоны оказывались внутри этого кванта, так как двигаться со "скоростью света" протоны не могли. Это запрещено теорией относительности. Любая элементарная частица состоит из кванта энергии и вакуума. Плотность вакуума внутри элементарной значительно выше, чем в окружающем пространстве. Количество вакуума в природе ограничено, а так как на создания вещества тратилось большое количество вакуума, это привело к резкому уменьшению вселенной. Вселенная стала сжиматься.

Сжатие вселенной происходило так быстро, что вещество внешней оболочки звезды, оказалось перемешанным с вновь созданным веществом. Каждая новая вселенная наследует часть вещества от старой вселенной. Когда энергия протокванта была израсходована на создание протонов, нечем стало поддерживать энергию электрического поля, и электрическое поле должно было начать уменьшаться. Электрическое поле стремится любой ценой сохранить свой потенциал, даже ценой изменения своего заряда, на противоположный. На спаде потенциала, из энергии поля, стали создаваться электроны. Когда энергетическая плотность поля, стала не достаточна для создания электронов, оно разбилось на фотоны, и по периметру взрыва образовалась гигантская вспышка, состоящая из фотонов. Фотоны, продолжая двигаться в том же направлении, прошли через второй центр, (наша вселенная относится к двухцентовым объектам) и толкнули внешние электроны в центр вселенной. Из центра вселенной двигались протоны и некоторое количество вещества от предыдущей вселенной, а навстречу им электроны, получившие момент импульса от фотонов, и образовалось два встречных потока. Образовались гигантские вихри аналогичные земным циклонам.

Циклоны не просто внешне напоминают спиральные галактики, у них и природа одинаковая. В центре такого вихря высокая плотность вещества, а вот момент импульса равен нулю. На периферии наоборот плотность вещества низкая, а момент импульса большой. В результате взаимодействия электронного и протонного потока образовалось большое количество спиральных галактик. Поскольку в центре галактики вещество не имело момента импульса, то протоны сразу же собрались в гигантские звёзды, и сразу начались термоядерные реакции. Большой Взрыв был не таким эффектным, как считают физики, но очень эффективным. Большая часть энергии превратилась в вещество. Фактически взрыва, как такового, и не было. Было превращение энергии в вещество по всему объёму вселенной. Доказательством этого является то, что наша вселенная однородна и изотропна. Это означает, что в любой сфере, с диаметром ~ равным 300 световых лет, количество галактик приблизительно равно. Однородность и изотропность вселенной, принято называть Космологическим Принципом. При взрыве, который предложен физиками, такого эффекта быть не может. Это возможно только в случае, когда вещество равномерно возникло во всём объёме вселенной.

При термоядерной реакции выделяется не только энергия, но и вакуум. Расстояние между пунктом "А" и "Б" зависит от количества вакуума находящегося между ними. Чем активнее происходили термоядерные процессы в галактике, тем больше выбрасывалось вакуума, и тем быстрее она удалялась от остальных галактик. Вселенная начала расширяться. Вселенная расширялась не за счёт энергии первичного взрыва, а благодаря термоядерным реакциям звёзд. Как сохраняли галактики свою структуру можно найти в статье "Геометрия галактик". Вакуум, освободившийся после термоядерных реакций, постепенно покидает пределы метагалактики, но пока термоядерная активность звёзд велика, и количество вакуума, излучаемое звёздами больше, чем покидающее метагалактику, она будет расширяться.

Как только термоядерная активность галактик уменьшится, вселенная продолжит увеличиваться, а вот метагалактика начнёт уменьшаться. Это произойдёт тогда, когда количество вакуума, покидающее метагалактику, будет больше, чем получаемую при термояде. Галактики начнут движение к общему центру, цикл замкнётся, и всё повторится с начала.

Мы выяснили, что Вселенная постоянно расширяется; тот момент с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом. Его называют “Большим Взрывом” или английским термином Big Bang.

Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда тоже самое количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий объём.

Кратко изложим все те умозаключения о возможных параметрах Вселенной на стадии Большого Взрыва, к которым мы пришли.

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 формула (1) :

(1)

Зависимость температуры Тот времени t дает нам возможность определить, что например, в момент, когда возраст Вселенной исчислялся всего одной десятитысячной секунды, её температура представляла один биллион Кельвинов.

Эволюция вселенной

Принятая на сегодня Стандартная Космологическая Модель строения и эволюции Вселенной основана на общей теории относительности А.Эйнштейна. В этой модели постулируется, что наша Вселенная родилась во время изначального, так называемого Большого Взрыва. Около 13 млрд лет тому назад Вселенная представляла собой сгусток энергии, сконцентрированный в одной исходной точке, теоретический размер которой равен нулю. Другие физические величины, такие как температура, давление, плотность энергии и т.д., в этой точке должны быть бесконечно большими. Такая ситуация называется сингулярностью, и, чтобы хоть немного отступить от нулевого «момента неопределенности», модельное описание взрывоподобного рождения Вселенной начинают с некоторого минимального момента времени после взрыва. Его называют временем Планка — именно М. Планк предложил для него «конструкцию» из скорости света с, постоянной Планка ћ, гравитационной постоянной G:

t_pl = (Gћ/c⁵)^1/2 ≈ 5,4 * 10^-44 с.

В момент времени Планка t_pl размеры только что рожденной Вселенной не превышают нескольких микрон. Ее температура Т= 10³² К пока настолько высока, что весь мир еще абсолютно симметричен, все известные основные взаимодействия (гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное) еще слиты в единую силу, и ни одна из частиц еще не имеет массы. Вселенная представляет собой идеальный газ безмас­совых (т.е. виртуальных, еще не материализовавшихся) частиц со средней энергией Е = kT = 10²⁸ эВ в состоянии термодинамического равновесия.

Чуть позже планковского времени произошло первое нарушение всеобщей симметрии, и первоначальная сила разделилась на гравитацию (за нее отвечает частица гравитино) и остальные три взаимодействия, которые пока связаны вместе.

Когда с момента Большого Взрыва прошли примерно 10^-36 с и тепловая энергия снизилась до значения 10²⁴ эВ при размерах Вселенной порядка 10 см, симметрия нарушилась и первые из частиц – Х- и Y-бозоны - приобрели массы. Но практически сразу они распадались на кварки (будущий «материал» для протонов и нейтронов) и лептоны (частицы, участвующие в слабом взаимодействии, - нейтрино, электроны, мюоны, тау, и их античастицы) и таким образом первыми «выпали» из термодинамического равновесия. Итак, на этом этапе сильные (ядерные) взаимодействия заработали отдельно от еще неразделенных электрослабых (электромагнитных и слабых) взаимодействий.

В период 10^-36 - 10^-10 с Вселенная состояла из смеси пока безмассовых кварков и лептонов, а также фотонов, возникших при взаимной аннигиляции электронов и позитронов, следующего (более легкого) поколения Z- и W-бозонов, ответ­ственных за слабое взаимодействие, и других гипотетических (суперсимметричных) частиц, например нейтралино. В это время все частицы, включая нейтрино, находились в почти полном равновесии между собой, т.е. рождение частиц балансировалось их аннигиляцией. Вселенная тогда, как и в настоящее время, содержала намного больше фотонов, чем кварков.

Через 10^-10 с Вселенная остыла до температуры 10¹⁵ К и достигла уже более внушительного размера - около миллиарда километров. В этот момент произошло спонтанное нарушение еще одной симметрии, объединявшей слабые и электромагнитные взаимодействия. Теперь все четыре основные взаимодействия стали самостоятельными, безмассовые ранее частицы приобрели свои массы покоя, а из состояния термодинамического равновесия вышли промежуточные бозоны.

После 10^-6 с, когда средняя энергия упала до 10⁹ эВ (Т = 10¹³ К, размер Вселенной порядка 10¹¹ км), из кварков начали формироваться мезоны, затем стабильные протоны и относительно стабильные нейтроны. Протоны и нейтроны носят общее название – барионы, поэтому обычную (состоящую из атомов и молекул) материю называют барионной, чтобы отличать ее от небарионной (состоящей из других имеющих массу частиц) материи. При снижении средней энергии до 3 * 10⁸ эВ должны были приобрести массы гипотетические частицы аксионы, которые могут составлять некоторую часть небарионной материи, а для образования новых барионов уже не хватало энергии, и они начали превращаться в фотоны за счет аннигиляции со своими античастицами. Наш будущий материальный мир спасло то, что число частиц несколько превышало число античастиц и аннигиляция не могла быть полной. Этот небольшой излишек «выживших» барионов и есть вся барионная материя сегодняшней Вселенной. Родившиеся в результате фотоны к настоящему времени остыли до температуры 2.7 К и присутствуют во Вселенной в виде космического микроволнового фона или, другими словами, - реликтового излучения, впервые зарегистрированного в 1964 г. Из сравнения их числа с количеством барионов в современной Вселенной следует, что после аннигиляции оста­лась только одна миллиардная часть от первона­чальных барионов.

Примерно через 1 с после Большого Взрыва ( Т = 10¹⁰ К, размер Вселенной увеличился до 10¹⁴ км, или 10 световых лет) плотность частиц снизилась до такого значения (≈100000 г/см³), при котором взаимодействия с участием нейтрино становятся настолько редкими, что они не мо­гут больше находиться в термодинамическом равновесии с другими частицами. Эти нейтрино начинают жить своей независимой жизнью, свободно двигаясь по Вселенной (нейтринное реликтовое излучение). Если нейтрино имеет нулевую массу покоя, то такое излучение должно иметь температуру всего 2 К, а при ненулевой массе нейтрино, скажем порядка 10 эВ (≈2*10^-33 г), их температура будет выше абсолютного нуля всего на несколько тысячных градуса. По этой причине, а также из-за очень малой вероятности взаимодействия нейтрино с веществом, нейтринное реликтовое излучение до сих пор не зарегистрировано.

Еще через несколько секунд, при энергиях ниже миллиона эВ, перестали образовываться электроны и позитроны. Те же, что уже были, почти полностью уничтожились за счет аннигиляции, оставив в «живых» ровно столько электронов, сколько до этого сохранилось протонов, - чтобы сбалансировать их положительный электрический заряд и оставить Вселенную (как и в самом исходном состоянии) электрически нейтральной.

Через 100 с после Большого Взрыва ( Т = 10⁹ К, и размеры Вселенной достигли сотен световых лет) протоны и нейтроны начали сливаться в легчайшие ядра водорода Н, дейтерия D, гелия ³Не, ⁴Не и лития ⁷Li (более тяжелые ядра не могли тогда образоваться из-за отсутствия стабильных ядер с массовыми числами 5 и 8). Кроме водорода, в основном появлялись ядра ⁴Не, который с тех пор составляет около 1/4 барионной массы Вселенной; оставшиеся невостребованными лишние нейтроны распались в течение нескольких последующих часов и исчезли со сцены. Этот процесс называется первичным нуклеосинтезом, а относительная распространенность в космосе легчайших ядер, которая с достаточно высокой точнос­тью измеряется сегодня, служит хорошим тестом для проверки модели Большого Взрыва.

И только спустя 300 000 лет, когда температура упала до 10 000 К и диаметр Вселенной достиг размеров десятков миллионов световых лет (10²⁰ км), ядра стали окружаться электронными оболочками и возникли первые легкие атомы водорода и гелия. Поскольку средняя энергия к тому времени снизилась до нескольких эВ, энергии фотонов уже не хватало для разрушения атомов, и излучение в виде фотонов отделилось от материи, продолжая остывать (именно отсюда отсчитывает свою историю реликтовое излучение). До этого «пробег» фотонов из-за интенсивного взаимодействия с другими частицами, а затем и атомами, был настолько мал, что фотоны были буквально «привязаны» к материи, и Вселенная, если бы на нее кто-то мог взглянуть со стороны, не светилась, т.е. была невидимой. Теперь же Вселенная стала прозрачной, или видимой.

Семинар №3

1.Космические ритмы. Жизнь природы и человека подчинена космическим ритмам. В основе смены дня и ночи, лета и зимы, хороших и плохих лет лежат космические процессы, связанные с движением космических тел относительно друг друга. Так, смена дня и ночи обусловлена вращением Земли вокруг своей оси, месячный и недельный ритмы обусловлены обращением Луны вокруг Земли, чередование сезонов года связано с обращением Земли вокруг Солнца (приближением и удалением от Солнца), чередование хороших и плохих лет – с солнечной активностью.

С солнечной активностью связывают три ритма: 11-летний, 22-23-летний и 80-90-летний. Обращение Земли вместе со всей Солнечной системой вокруг центра Галактики за 220-250 млн лет определяет геологическую ритмику, то есть смену геологических эпох.

Ритм смены дня и ночи осуществляется за счет поворота Земли вокруг своей оси, причем она поворачивается к Солнцу то одной стороной, то другой. Если на стороне, освещенной Солнцем – день, то на противоположной стороне – ночь. Земля совершает полный оборот вокруг своей оси с запада на восток за 24 часа, то есть за сутки. В разных точках на разных меридианах (разной долготе) в один и тот же момент часы показывают разное время суток. На одном и том же меридиане (то есть на одной и той же долготе), в каждой его точке (от Северного полюса до Южного) время суток одно и то же. Это время называютместным. Пользоваться местным временем неудобно, поэтому астрономы разработали систему поясного времени. Поверхность Земли разделили на 24 часовых пояса, каждый из которых включает в себя 15⁰ долготы (Земля за 1 час поворачивается на 15⁰). Время каждого последующего часового пояса отличается от последующего на 1 час. Нумерация поясов от 0 до 23 ведется с запада на восток от Гринвичского меридиана. Москва находится во 2 часовом поясе.

Скорость движения планет вокруг Солнца зависит от положения их орбит. Чем дальше находится планета, тем дольше длится ее год. Например, год на Юпитере продолжается 12 земных лет, на Сатурне – почти 30, на Плутоне 248 земных лет. Земля - третья по счету планета в Солнечной системе. Она совершает один оборот вокруг Солнца за 365 дней 6 часов 9 минут и 9 секунд. Для удобства считают, что в году 365 дней, а через каждые 4 года, когда из шести часов «накопятся» 24 часа, в году бывает 366 дней. Этот год называют високосным, а один день прибавляют к февралю.

Смена времен года осуществляется благодаря обращению Земли вокруг Солнца. Путь Земли вокруг Солнца – земная орбита – имеет форму эллипса. Среднее расстояние от Земли до Солнца 149,6 млн км. Ось вращения Земли наклонена к плоскости земной орбиты под углом 66,50. Благодаря этому наклону существуют пояса освещенности. Летом Северное полушарие как бы повернуто к Солнцу, а зимой – наоборот.

23 сентября и 21 марта – дни осеннего и весеннего равноденствия, когда Солнце одинаково освещает оба полушария Земли. В этот день и в Северном и в Южном полушарии день равен ночи.

22 декабря – день зимнего солнцестояния: самый короткий день и самая длинная ночь в Северном полушарии. Земля обращена к Солнцу своим Южным полушарием. Там лето. У нас зима. 22 декабря, вдень зимнего солнцестояния, Солнце находится в полдень в зените для мест, лежащих в Южном тропике.

22 июня – день летнего солнцестояния, когда самый длинный день и самая короткая ночь в Северном полушарии. В этот день Солнце в зените наблюдают жители мест, расположенных в Северном тропике. В Южном полушарии в это время зима, в Северном – лето.

Тропики – географические параллели 23⁰27^/ широты, на которых один раз в год, в один из дней солнцестояния, полуденное солнце бывает в зените.

Полярные круги – географические параллели 66⁰33^/ широты, на которых в один из дней солнечного солнцестояния наблюдается полярный день, а в другой – полярная ночь. Они являются границами зон полярных ночей и полярных дней.

^ Полярная ночь может длиться в полярных поясах от 1 суток на широте Северного или Южного полярного кругов до 178 суток на Северном или Южном полюсах.

Полярный день на широте Полярного круга длится 1 сутки, а на полюсе – 189 суток.

На основе космической ритмики созданы различные календарные системы. Известны византийский и иудейский календари, ведущие отсчет от мифического сотворения мира (01.09.5508 г. до н.э.), древнегреческий (начало отсчета – первые Олимпийские игры – 01.07.776 г. до н.э.), христианский (от даты рождения Христа – 01.01.01 г.н.э.), мусульманский (бегство Мухаммеда из Мекки – 16.07.622 г.н.э.). Древнеегипетский календарь (солнечный) базировался на нескольких космических и природных ритмах. Главный цикл (продолжительностью 1460 лет) начинался с восхода звезды Сириус. Год состоял из 12 месяцев по 30 дней, 5 дней прибавлялось к последнему месяцу в конце каждого года. 12 месяцев распределялись по трем сезонам: сезону половодья, длившемуся с середины июля до середины ноября; сезону восходов (с середины ноября до середины марта); сезону засухи.

В настоящее время используется григорианский календарь. Это календарь, разработанный врачом и математиком Л.Лилио и введенный папой римским Григорием XIII в 1582 году. Средняя продолжительность года в этом календаре – 365,2425 суток, что дает ошибку в одни сутки за 3300 лет. С 5 октября 1582 года (с 15 октября по григорианскому календарю) расхождение между старым (юлианским) и новым стилем составило 10 суток, а с марта 1900 года – уже 13 суток. В России григорианский календарь введен 1 февраля 1918 года (14 февраля по григорианскому календарю).

Во многих мусульманских странах принят лунный календарь, который базируется на смене фаз Луны: новолуние, нарождающаяся Луна, неполная Луна, полнолуние, снова неполная Луна, убывающая Луна. Лунный месяц – период между двумя полнолуниями – составляет 29,5 суток. В календарном месяце лунного календаря чередуются 29 и 30 дней. 12 календарных месяцев составляют лунный год продолжительностью 354 суток, то есть короче солнечного на 11 суток.

9.Атмосфера: Газовый состав нижних слоев атмосферы, в особенности тропосферы, почти постоянен. Меняется лишь количество водяных паров и взвешенных частиц органического и минерального происхождения (аэрозолей). Главная особенность нижней части стратосферы – повышенное содержание озона (Оз) на высоте 20-30 км. Он образуется из кислорода, который поглощает ультрафиолетовые лучи, тем самым, предохраняя от их вредного влияния живые организмы, обитающие на Земле. В вышележащих слоях для образования озона не хватает кислорода, в расположенных ниже – ультрафиолетовой радиации. Общее содержание озона во всей атмосфере соответствует слою чистого озона толщиной 2-4 мм. Проблема озонового слоя. Выше 90 км в результате происходящих под действием света, меняется химический состав атмосферы. Она обогащается легкими газами. Выше 600 км преобладает гелий. Важная часть атмосферы – водяной пар. Его концентрация составляет около 0,16 % объема атмосферы. С высотой количество водяного пара резко уменьшается. В результате конденсации водяного пара образуются капли и возникают облака. Если размеры капель не велики, то вертикальные потоки воздуха поднимают их вверх. Когда капли осаждаются на льдинках или других твердых частицах их вес быстро растет, тогда выпадают осадки – дождь или снег. В процентном соотношении распределение газов в пределах атмосферы выглядит следующим образом: азот – 78%, кислород – 21 % остальное – это водород, аргон, углекислый газ, неон, гелий, метан, криптон, озон и другие газы.

Тропосфера

Её верхняя граница находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м ТропопаузаПереходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой. Именно в стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 15—20 до 55—60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере

Мезосфера

начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25—0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы Газовый состав мезосферы, как и расположенных ниже атмосферных слоев, постоянен и содержит около 80% азота и 20% кислорода.Мезопауза Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около —90 °C

Термопауза

Область атмосферы прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура фактически не меняется с высотой. Расположение термопаузы зависит от уровня солнечной активности и может колебаться от 400 до 800 километров. Температура составляет 500—2000 K в зависимости от времени суток и солнечной активности. Постоянство температуры означает, что выше нет заметных источников энергии, кроме солнечного излучения. Поглощение незначительное, поэтому поступление тепла мало изменяется с высотой.

Озо́новый слой — часть стратосферы на высоте от 12 до 50 км (в тропических широтах 25—30 км, в умеренных 20—25, в полярных 15—20), в которой под воздействием ультрафиолетового излучения Солнцамолекулярный кислород (О₂) диссоциирует на атомы, которые затем соединяются с другими молекулами О₂, образуя озон (О₃). Относительно высокая концентрация озона (около 8 мл/м³) поглощает опасные ультрафиолетовые лучи и защищает всё живущее на суше от губительного излучения. Более того, если бы не озоновый слой, то жизнь не смогла бы вообще выбраться из океанов^[1] и высокоразвитые формы жизни типа млекопитающих, включая человека, не возникли бы. Наибольшая плотность озона встречается на высоте около 20—25 км, наибольшая часть в общем объёме — на высоте 40 км. Если бы можно было извлечь весь озон, находящийся в атмосфере, и сжать под нормальным давлением, то в результате вышел бы слой, покрывающий поверхность Земли толщиной всего 3 мм. Для сравнения, вся сжатая под нормальным давлением атмосфера составляла бы слой в 8 км.

К парниковым газам относятся такие составляющие атмосферы естественного и антропогенного происхождения, которые поглощают и излучают радиацию в том же инфракрасном диапазоне, что и поверхность Земли, атмосфера и облака. Основными парниковыми газами являются: углекислый газ (СО₂), метан (CH₄), закись азота(N₂O), тропосферный озон (O₃) и водяной пар (H₂O).

Тропосферный озон

Являясь парниковым газом, тропосферный озон (троп. О₃) оказывает как прямое влияние на климат через поглощение длинноволновой радиации Земли и коротковолновой радиации Солнца, так и через химические реакции, которые изменяют концентрации других парниковых газов, например, метана (троп. О₃ необходим для образования важного окислителя парниковых газов - радикала - ОН).

Увеличение концентрации троп. О₃ с середины XVIII века является третьим по величине положительным радиационным воздействием на атмосферу Земли после СО₂ и СН₄. Основной причиной увеличения концентрации троп. О₃ является рост антропогенной эмиссии предшественников озона - химических соединений, необходимых для его формирования - главным образом углеводородов и окислов азота. В целом содержание троп. О₃ в тропосфере определяется процессами его образования и разрушения в ходе химических реакций с участием предшественников озона, имеющих как естественное, так и антропогенное происхождение, а также процессами переноса озона из стратосферы (где его содержание значительно больше) и поглощением озона поверхностью земли. Время жизни троп. О₃ - до нескольких месяцев, что значительно меньше, чем у других парниковых газов (СО₂, СН₄, N₂O). Концентрация троп. О₃ значительно изменяется во времени, по пространству и высоте, и её мониторинг является значительно более сложной задачей, чем мониторинг хорошо перемешанных в атмосфере парниковых газов.

В течение XXI века из-за увеличения антропогенной эмиссии предшественников озона в результате развития мировой экономики и роста населения (особенно в Юго-Восточной Азии, Центральной и Южной Америке, Африке) влияние троп. О₃ на климатическую систему будет оставаться значительным.

Водяной пар - важнейший естественный парниковый газ, вносит значительный вклад в парниковый эффект с сильной положительной обратной связью. Так, увеличение температуры воздуха вызывает увеличение влагосодержания атмосферы при примерном сохранении относительной влажности, что вызывает усиление парникового эффекта и тем самым способствует дальнейшему повышению температуры воздуха.

Влияние водяного пара также может проявляться через увеличение облачности и изменение количества осадков. Хозяйственная деятельность человека вносит вклад в эмиссию водяного пара, составляющий менее 1%. Водяной пар, наряду со способностью поглощать радиацию практически во всем инфракрасном диапазоне, также является источником ОН - радикалов, являющихся чрезвычайно активными окислителями и в значительной степени (несмотря на малые концентрации)определяют химический состав тропосферы.

Поиск по сайту: