Номер 4, страница 204 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

4. Какая модель называется моделью горячей Вселенной? Какая важная гипотеза вытекает из этой модели?

3. Эволюция Вселенной через понятие «Большой Взрыв» характеризуется как процесс непрерывного расширения и остывания из начального сверхплотного и сверхгорячего состояния. Этот процесс можно разделить на несколько ключевых этапов:

1. Начало (сингулярность). Теория предполагает, что около 13,8 миллиардов лет назад вся наблюдаемая Вселенная была сосредоточена в точке с бесконечной плотностью и температурой, называемой космологической сингулярностью. Понятие «взрыв» не следует понимать буквально как взрыв в существующем пространстве; это было начало самого пространства-времени, которое с тех пор расширяется.

2. Инфляция и рождение частиц. Сразу после начального момента (примерно с $10^{-36}$ до $10^{-32}$ секунды) Вселенная пережила период экспоненциально быстрого расширения, называемый инфляцией. В этот период она увеличилась в размерах на много порядков. После инфляции энергия поля, вызвавшего её, перешла в рождение элементарных частиц (кварков, лептонов, фотонов), образовав горячую «кварк-глюонную плазму».

3. Первичный нуклеосинтез. По мере дальнейшего расширения и остывания (в первые несколько минут) кварки объединились в протоны и нейтроны. Затем протоны и нейтроны начали сливаться, образуя ядра лёгких химических элементов, в основном водорода (протия и дейтерия) и гелия, а также следовые количества лития. Соотношение этих элементов, предсказанное теорией, очень хорошо совпадает с астрономическими наблюдениями.

4. Рекомбинация и реликтовое излучение. Примерно через 380 000 лет после Большого Взрыва Вселенная остыла достаточно (до ~3000 K), чтобы электроны смогли объединиться с ядрами, образуя нейтральные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией. До этого момента Вселенная была непрозрачной для света из-за постоянного рассеяния фотонов на свободных электронах. После рекомбинации фотоны смогли свободно распространяться в пространстве. Эти «освободившиеся» фотоны мы наблюдаем сегодня как реликтовое (космическое микроволновое) излучение.

5. Тёмные века и формирование структур. После рекомбинации наступил период, известный как «Тёмные века», поскольку не было звёзд, которые бы светили. Под действием гравитации вещество (в основном тёмная материя) начало собираться в сгустки. В этих сгустках концентрировался и обычный газ, из которого со временем (через несколько сотен миллионов лет) сформировались первые звёзды и галактики.

6. Современная эпоха. Галактики продолжают формироваться и эволюционировать, собираясь в скопления и сверхскопления. Наблюдения показывают, что в настоящее время расширение Вселенной ускоряется, что связывают с наличием гипотетической «тёмной энергии».

Ответ: Эволюция Вселенной в рамках теории Большого Взрыва — это процесс расширения и остывания из начального сингулярного состояния, включающий этапы инфляции, образования элементарных частиц, первичного нуклеосинтеза, рекомбинации (когда Вселенная стала прозрачной), формирования первых звёзд и галактик и, наконец, современного ускоренного расширения.

4. Моделью горячей Вселенной называется космологическая модель, согласно которой на ранних этапах своей эволюции Вселенная находилась в состоянии с чрезвычайно высокой температурой и плотностью. Эта модель является неотъемлемой частью современной теории Большого Взрыва. Её предложил и разработал в 1940-х годах советский и американский физик Георгий Гамов (Джордж Гамов) с коллегами Ральфом Альфером и Робертом Германом.

Основная идея модели заключается в том, что по мере расширения Вселенной её средняя температура падает. Именно это остывание делает возможными ключевые события в её истории, такие как образование протонов и нейтронов, синтез лёгких ядер (первичный нуклеосинтез) и, позднее, образование нейтральных атомов (рекомбинация). Без начального горячего состояния эти процессы были бы невозможны.

Самая важная гипотеза, которая непосредственно вытекает из модели горячей Вселенной, — это существование реликтового излучения (Cosmic Microwave Background, CMB). Согласно модели, в ранней горячей и плотной Вселенной вещество и излучение находились в термодинамическом равновесии. После того как Вселенная расширилась и остыла до такой степени, что образовались нейтральные атомы (эпоха рекомбинации), фотоны перестали эффективно взаимодействовать с веществом и начали свободно распространяться. Модель предсказывала, что это излучение, заполнившее всю Вселенную, должно наблюдаться и сегодня, но из-за многомиллиардного расширения его температура должна была упасть до нескольких кельвинов. Это предсказание было блестяще подтверждено в 1965 году случайным открытием космического микроволнового фонового излучения Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном, что стало одним из главных доказательств теории Большого Взрыва.

Ответ: Моделью горячей Вселенной называется стандартная космологическая модель, постулирующая, что ранняя Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной и с тех пор расширяется и остывает. Важнейшая гипотеза, вытекающая из этой модели, — это существование остаточного теплового излучения от ранней эпохи, известного как реликтовое (космическое микроволновое) излучение.