Номер 3, страница 204 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

3. Как характеризуется эволюция Вселенной через понятие «Большой Взрыв»?

3. Эволюция Вселенной через понятие «Большой Взрыв» характеризуется как процесс расширения и остывания из начального сверхплотного и сверхгорячего состояния. Эта модель не описывает взрыв в существующем пространстве, а описывает расширение самого пространства-времени. Эволюцию можно разделить на несколько ключевых этапов:

1. Ранняя Вселенная (до 1 секунды): Сразу после гипотетического начального состояния (сингулярности) начинается стремительное расширение. В первые доли секунды (эпоха инфляции) Вселенная многократно увеличивается в размерах. Она представляет собой горячую «плазму» из фундаментальных частиц — кварков, лептонов и бозонов. По мере остывания силы (сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия) отделяются друг от друга.

2. Эпоха первичного нуклеосинтеза (первые минуты): Примерно через 3-4 минуты после Большого Взрыва температура падает настолько, что протоны и нейтроны начинают объединяться, образуя первые лёгкие атомные ядра: в основном водорода (протия), дейтерия, гелия-4 и в очень малых количествах лития. Соотношение этих элементов, предсказанное теорией, отлично совпадает с астрономическими наблюдениями.

3. Эпоха рекомбинации (примерно 380 000 лет): Вселенная продолжает остывать. Когда температура падает до примерно 3000 К, электроны получают возможность объединиться с ядрами, образуя нейтральные атомы (в основном водорода и гелия). В этот момент вещество перестает быть плазмой, и Вселенная становится прозрачной для излучения (фотонов). Свет, который высвободился в эту эпоху, мы наблюдаем сегодня как реликтовое микроволновое фоновое излучение (CMB).

4. Тёмные века и формирование структур (от 380 тыс. до ~1 млрд лет): После рекомбинации наступает период, известный как «Тёмные века», когда еще не было звезд. Под действием гравитации вещество (в основном тёмная материя и обычное вещество) начинает собираться в более плотные сгустки. В этих сгустках со временем формируются первые звёзды и галактики, которые снова ионизируют окружающий газ, завершая Тёмные века.

5. Современная эпоха (от ~1 млрд лет до наших дней): Вселенная продолжает расширяться. Звёзды и галактики эволюционируют, образуя скопления и сверхскопления. Около 5 миллиардов лет назад расширение Вселенной начало ускоряться, что связывают с действием таинственной «тёмной энергии».

Ответ: Эволюция Вселенной в модели Большого Взрыва — это непрерывный процесс расширения и остывания из начального горячего и плотного состояния. Этот процесс проходит через последовательные этапы: формирование фундаментальных частиц, синтез легких атомных ядер, образование нейтральных атомов (что привело к появлению реликтового излучения) и, наконец, гравитационное формирование звёзд, галактик и других крупномасштабных структур, наблюдаемых сегодня, с ускорением расширения на позднем этапе.

4. Моделью горячей Вселенной называется космологическая модель (разработанная Георгием Гамовым и его коллегами в 1940-х годах), которая является развитием теории Большого Взрыва и утверждает, что на ранних стадиях своего существования Вселенная была не только очень плотной, но и чрезвычайно горячей. По мере расширения она остывала, что и привело к последовательному протеканию всех физических процессов, описанных в стандартной космологической модели.

Важнейшей гипотезой (и, как оказалось, предсказанием) этой модели является существование остаточного теплового излучения от начального горячего состояния. Это излучение известно как реликтовое микроволновое фоновое излучение (англ. Cosmic Microwave Background, CMB).

Суть гипотезы заключается в следующем:

1. В ранней горячей Вселенной вещество находилось в состоянии плазмы, где фотоны постоянно взаимодействовали со свободными электронами и протонами, делая Вселенную непрозрачной.

2. Когда Вселенная расширилась и остыла до температуры около 3000 К (в возрасте около 380 000 лет), электроны и ядра смогли объединиться в нейтральные атомы (эпоха рекомбинации).

3. После этого Вселенная стала прозрачной для фотонов, и они смогли свободно распространяться в пространстве. Эти фотоны, «отделившиеся» от вещества в тот момент, до сих пор наполняют Вселенную.

4. Из-за последующего расширения Вселенной длина волны этих фотонов сильно увеличилась (они испытали космологическое красное смещение), и их энергия уменьшилась. В современную эпоху это излучение должно наблюдаться как изотропный (одинаковый по всем направлениям) микроволновый фон с температурой всего несколько градусов выше абсолютного нуля.

Это предсказание блестяще подтвердилось в 1965 году с открытием реликтового излучения с температурой около 2.7 К, что стало одним из самых весомых доказательств в пользу теории горячего Большого Взрыва. Другой важной гипотезой, подтверждающей эту модель, является предсказание распространенности легких химических элементов (водорода, гелия, лития), образовавшихся в ходе первичного нуклеосинтеза в первые минуты жизни горячей Вселенной.

Ответ: Моделью горячей Вселенной называется теория, согласно которой Вселенная на ранних этапах была заполнена веществом и излучением с чрезвычайно высокой температурой. Самая важная гипотеза, вытекающая из этой модели, — это предсказание существования реликтового микроволнового излучения (CMB), которое является остывшим «эхом» Большого Взрыва и было экспериментально обнаружено.