Проекты моих учеников

Я бы хотел рассказать о важнейшем вопросе космологии, вопросе которым каждый человек когда-нибудь задается. Как появилось все, что нас окружает, как появилась вселенная?

 Но прежде чем искать ответ, я бы хотел осветить ряд понятий, которые пригодятся нам в дальнейшем.

1-е физика элементарных частиц, казалось бы как связана космология, изучающая огромные просторы вселенной, и физика элементарных частиц ,устремляющая свой взгляд в глубины атома, но потом мы увидим как тесно переплетены эти две ветви физики, и из этого видна красота науки, цельность и закономерность природы.

В физике элементарных частиц нам пригодится знание “стандартной модели”, теории которая объединяет весь “зоопарк” ,а их повернее мне не мало, в несколько групп.

Робота со слайдом № 2.

Теперь нам следует познакомиться с Эффектом Доплера. Эффект Доплера представляет собой явление изменения частоты волн получаемых приемником при движении источника волн. С данным явлением мы каждый день сталкиваемся в повседневной жизни, например, когда ждем автобус на остановке, а мимо нас проезжают автомобили. Если же говорить о свете, а свет ,как мы знаем, представляет собой электромагнитные волны, то при движении источника света к нам мы будем наблюдать в спектре этого излучения смещение в сторону коротких волн, проще говоря увидим излучающее тело в синем цвете, при удалении же от нас источника, мы увидим его в красном цвете.

Работа со слайдом № 3.

Теперь мы можем вернуться к космологии.

Современная наука дает ответ на наш вопрос, и сформулирован он в Теории большого взрыва или инфляционной теории.

Обратимся к ней и посмотрим ,что происходило со вселенной в первые мгновения ее жизни.

10–43 секунды

Теоретики предполагают, что в этот миг произошло объединение гравитации с другими силами. До этого во Вселенной действовала единая и неделимая сила. Именно механизм перехода от одной к двум фундаментальным силам взаимодействия и пытаются описать универсальные теории. Что было до этого мгновения? Об этом мы можем только догадываться.

10–35 секунды

При этих температурах объединились сильное и электрослабое взаимодействия. До этой доли мгновения во Вселенной действовало две силы, после него их стало три. В тот же миг началось скачкообразное расширение, которое называется инфляционным, продолжавшееся до отметки 10–32 cекунды. Одновременно из Вселенной исчезли античастицы.

10–10 секунды

Эта отметка знаменует новую серию этапных превращений — началось великое объединение фундаментальных сил. Именно в это мгновение произошло объединение электромагнитного и слабого взаимодействий. До этого момента во Вселенной действовало три силы; теперь их стало четыре. Энергии, присутствующие во Вселенной в этот момент, соответствуют максимальным энергиям, которые могут быть развиты в современных земных ускорителях. Поэтому всё, что будет изложено мною дальше, в принципе поддается экспериментальной проверке; всё предыдущее — чистые гипотезы.

10–5 секунды

В этот момент — примерно через одну стотысячную долю секунды после запуска механизма рождения Вселенной — кварки слились в элементарные частицы. До этого Вселенная представляла собой компактное море из кварков и лептонов; с этого момента она превратилась в остывающий океан элементарных частиц.

3 минуты

В первые три минуты существования Вселенной, стоило двум элементарным частицам — протону и нейтрону, например, — образовать ядро, как оно тут же разбивалось при следующем столкновении. Начиная с четвертой минуты Вселенная остыла до такой степени, что энергий столкновения стало недостаточно для разрыва внутриядерных связей, и стали образовываться стабильные ядра. Итак, в первые три минуты Вселенная представляла собой раскаленное море элементарных частиц, а по прошествии трех минут в нем стало появляться всё больше островков-ядер.

В процессе соударений с новыми элементарными частицами ядра постепенно утяжелялись за счет прикрепления к ним каждый раз протона или нейтрона. Однако на этой стадии сформировались ядра лишь самых легких химических элементов, поскольку вскоре Вселенная расширилась уже настолько, что столкновения стали огромной редкостью.

300 000 лет (Слайд № 4)

Примерно через 300 000 лет после Большого взрыва Вселенная остыла достаточно для того, чтобы электроны начали прочно удерживаться ядрами и появились стабильные атомы, не распадающиеся сразу же после соударения со следующим ядром. Постепенно формирование атомов из моря свободных ядер и электронов привело к образованию всего многообразия наблюдаемых нами сегодня во Вселенной химических элементов. Тогда же вселенная стала прозрачной. До образования первых атомов Вселенная состояла из непрозрачной и плотной ядерно-электронной плазмы. Появилось реликтовое излучение о котором речь пойдет дальше. 

Теперь стоит сказать что изначально вселенная была изотропна, то есть в любом направлении мы наблюдали бы одинаковую картину, но сейчас есть планеты, звезды, галактики, а если бы вселенная была изотропна и сейчас то ничего этого не могло существовать. Спасло нас то, что природа не идеальна. Покажу на примере, представим большой зал на полу которого рассыпаны намагниченные шарики, все они находятся на одинаковом расстоянии друг от друга вследствие чего все они покоятся, так как силы, действующие на один шарик, уравновешенны, такой была изначальная вселенная. Теперь вытащим некоторые шарики, что произойдет? Правильно, шарики начнут объединятся в группы. Так же было и в ранней вселенной. Благодаря не совершенности природы материя начала собираться в группы, благодаря этому мы сейчас существуем.

1 миллиард лет (Слайд № 5)

Началось формирование галактик. Впервые в истории Вселенная стала отдаленно напоминать то, что мы наблюдаем сегодня. Уже следующее поколение сверхмощных телескопов позволит нам рассмотреть галактики, удаленные настолько, что они предстанут перед нами на стадии непосредственно после их рождения.

Примерно через 9 миллиардов лет, около молодой звезды, появилась планета, которую мы называем своим домом. А спустя 13,7 миллиардов лет вселенная стала такой какую мы видим сейчас.

Все сказанное ранее можно наглядно представить при помощи диаграммы Хаббла. (Слайд № 6)

Констатируя все сказанное ранее можно сказать, что большой взрыв, это момент когда появилось вся материя во вселенной, когда она была сжата до размеров одного протона, имела колоссальную плотность и температуру. Длилось это не более секунды. Так что, пока я вам это рассказывал, успело бы произойти несколько десятков больших взрывов.

Но любая теория только гипотеза, если нет весомых доказательств. Так что любой теории приходится пережить суд, пока ее не признают действительной. Давайте и мы рассмотрим некоторые факты говорящие о ее правильности.

1-е – реликтовое излучение, дающее представления о температуре и плотности ранней вселенной. (Слайд № 7). Перед вами так называемое “лицо бога”, или диаграмма распределенная плотности вещества во вселенной.

Реликтовое излучение или космическое микроволновое фоновое — космическое электромагнитное излучение со спектром, характерным для абсолютно чёрного тела с температурой 2,7 К. Сейчас каждый кубический сантиметр пространства содержит около 500 реликтовых фотонов(Слайд № 8) , а вещества на этот объем приходится гораздо меньше. Поскольку отношение числа фотонов к числу барионов в процессе расширения сохраняется, но энергия фотонов в ходе расширения Вселенной со временем уменьшается из-за красного смещения, можно сделать вывод, что когда-то в прошлом плотность энергии излучения была больше плотности энергии частиц вещества. Когда Вселенная стала прозрачной для излучения, и именно это излучение мы сейчас улавливаем и называем реликтовым. Правда, с того времени из-за расширения Вселенной фотоны уменьшили свою энергию примерно в 100 раз. Соответственно мы видим что температура вселенной была намного выше чем сейчас. Образно говоря, кванты реликтового излучения «запечатлели» эпоху рекомбинации и несут прямую информацию о далеком прошлом.

2-е красное смещение в спектрах света излучаемого дальними звездами. (Слайд № 9)

Наблюдаемое явление, как мы знаем, говорит нам о том, что далекие звезды отдаляются от нас, и несмотря на то что близко расположенные галактики сближаются, в общем во вселенной наблюдается расширение, а если вселенная расширяется то, если посмотреть в обратном направлении во времени, она когда-нибудь придет в 1 точку, которая и называется большим взрывом.

Теперь, мне кажется, что необходимо рассказать о людях создавших эту теорию.

(Слайд № 10)

Фридман в 1922 году создал теорию Не статичной вселенной,  согласно которой вселенная постоянно расширяется.

(Слайд № 11)

Его теорию в 1943 году развивает Гамов, добавив теорию горячей вселенной, и предсказывает реликтовое излучение.

(Слайд № 12)  

1964 Американские ученые открывают космический фон и измеряют его температуру, которая равна примерно 3 K. Теория Гамова подтверждена.

Таким образом мы познакомились со стандартной моделью вселенной.

(Слайд № 13)

Но в ней есть некоторые пробелы. Что было до большого взрыва? Вопрос, на который сейчас точного ответа нет. Вся надежда возлагается на теорию квантовой гравитации, которая еще не создана и ее создание лежит на плечах растущего поколения ученых. Поколения, которое с наукой впервые познакомили именно вы, ученый начинается с его учителя, и те, кого вы учите, могут стать теми кто продвинет человечество на пути познания природы, так что можно смело сказать, что ваш труд двигает науку.