Номер 6, страница 217, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 12. Строение и эволюция вселенной. Параграф 115. Решение задач. Темы исследовательских и проектных работ - номер 6, страница 217.

Условие.

• От Большого взрыва до наших дней.

Решение.

История Вселенной, согласно современной космологической модели, представляет собой грандиозную сагу, начавшуюся около 13,8 миллиарда лет назад с события, известного как Большой взрыв. Это не был взрыв в обычном понимании; это было стремительное расширение самого пространства-времени из чрезвычайно горячего и плотного начального состояния. Рассмотрим ключевые этапы этой эволюции.

Планковская эпоха и рождение фундаментальных сил

В самые первые мгновения, до времени $t \approx 10^{-43}$ секунды после Большого взрыва (планковское время), Вселенная была настолько горячей и плотной, что известные нам законы физики неприменимы. Предполагается, что все четыре фундаментальных взаимодействия — гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное — были объединены в единую суперсилу. В конце этой эпохи гравитация отделяется от остальных трех взаимодействий.

Далее, до $t \approx 10^{-36}$ с, следует Эпоха Великого объединения. Вселенная продолжает остывать, и в конце этой эпохи от единого электрослабого взаимодействия отделяется сильное ядерное взаимодействие. Этот процесс, по некоторым теориям, спровоцировал следующий важнейший этап — инфляцию.

В инфляционную эпоху ($10^{-36}-10^{-32}$ с) Вселенная испытала период экспоненциального расширения, увеличившись в размерах на много порядков за ничтожную долю секунды. Инфляция объясняет, почему наблюдаемая Вселенная так однородна и изотропна. После инфляции Вселенная была заполнена горячей кварк-глюонной плазмой.

Ответ: В первые доли секунды своего существования Вселенная прошла через этапы, на которых из единой суперсилы последовательно выделились все четыре фундаментальных взаимодействия, а сверхбыстрое инфляционное расширение заложило основу для ее современной крупномасштабной структуры.

Ранняя Вселенная: от кваркового супа до первых атомных ядер

С $10^{-12}$ до $10^{-6}$ секунды длилась кварковая эпоха. Вселенная представляла собой «суп» из фундаментальных частиц: кварков, лептонов (электронов, нейтрино) и их античастиц, а также бозонов. Температура была слишком высока, чтобы кварки могли объединиться в протоны и нейтроны.

По мере остывания, в адронную эпоху ($10^{-6}-1$ с), кварки начали объединяться, формируя адроны, в первую очередь протоны и нейтроны. В этот период произошла аннигиляция большей части материи и антиматерии, но из-за небольшого первоначального избытка (одна частица на миллиард пар) осталась та материя, из которой состоит всё вокруг нас сегодня.

Примерно через 3 минуты после Большого взрыва температура упала достаточно для того, чтобы протоны и нейтроны начали сливаться, образуя первые атомные ядра. Этот процесс называется первичным нуклеосинтезом. В результате образовались в основном ядра водорода (протоны) и гелия-4, а также в незначительных количествах ядра дейтерия, гелия-3 и лития-7. Соотношение водорода (~75%) и гелия (~25%) во Вселенной, предсказанное теорией, прекрасно согласуется с наблюдениями.

Ответ: В первые минуты существования Вселенная остыла достаточно, чтобы из кварков сформировались протоны и нейтроны, а затем в ходе первичного нуклеосинтеза образовались ядра легких химических элементов, преимущественно водорода и гелия.

Эпоха рекомбинации и реликтовое излучение

На протяжении следующих 380 000 лет Вселенная оставалась горячей и непрозрачной плазмой, состоящей из атомных ядер и свободных электронов. Фотоны света постоянно взаимодействовали с электронами и не могли свободно распространяться — Вселенная была подобна густому туману.

Когда возраст Вселенной достиг примерно 380 000 лет, а температура упала до около 3000 К, энергии электронов стало недостаточно, чтобы избежать захвата атомными ядрами. Произошла рекомбинация: электроны и ядра объединились в нейтральные атомы. С этого момента фотоны перестали эффективно взаимодействовать с веществом и смогли свободно путешествовать сквозь пространство. Вселенная стала прозрачной.

Эти первозданные фотоны мы наблюдаем и сегодня. За 13,8 миллиарда лет из-за расширения Вселенной их длина волны увеличилась, и теперь они регистрируются в микроволновом диапазоне. Это излучение, приходящее со всех направлений на небесной сфере, называется космическим микроволновым фоном или реликтовым излучением. Оно является важнейшим подтверждением теории Большого взрыва, неся в себе информацию о состоянии Вселенной в эпоху рекомбинации.

Ответ: Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная остыла настолько, что образовались нейтральные атомы, сделав ее прозрачной для света. Фотоны того времени доходят до нас сегодня в виде реликтового излучения.

Темные века и первые звезды

После рекомбинации наступил период, известный как Темные века, который длился несколько сотен миллионов лет. Вселенная была заполнена нейтральным водородом и гелием, но в ней еще не было источников света — звезд и галактик.

Однако Вселенная не была идеально однородной. Небольшие флуктуации плотности, заложенные еще в эпоху инфляции, под действием гравитации начали усиливаться. Более плотные области притягивали к себе окружающее вещество. Со временем в центрах самых плотных сгустков газа температура и давление выросли настолько, что зажглись термоядерные реакции — так родились первые звезды. Это произошло примерно через 200–400 миллионов лет после Большого взрыва.

Первые звезды (звезды III типа) были, вероятно, в сотни раз массивнее Солнца, очень горячими и жили недолго, всего несколько миллионов лет. Их мощное ультрафиолетовое излучение начало ионизировать окружающий нейтральный водород, запуская процесс, называемый реионизацией. Завершив свою жизнь взрывами сверхновых, первые звезды рассеяли в пространстве первые тяжелые элементы (тяжелее водорода и гелия), из которых впоследствии формировались новые поколения звезд и планет.

Ответ: После периода «Темных веков» гравитация собрала газ в плотные сгустки, где зажглись первые массивные звезды, чье излучение начало реионизацию Вселенной, а взрывы обогатили ее первыми тяжелыми элементами.

Формирование галактик, Солнечной системы и жизни

В течение последующих миллиардов лет гравитация продолжала свою работу. Небольшие протогалактики, содержащие первые звезды, сталкивались и сливались, образуя все более крупные галактики, включая наш Млечный Путь. Галактики, в свою очередь, собирались в группы, скопления и сверхскопления, формируя крупномасштабную «космическую паутину», которую мы наблюдаем сегодня.

Наша Солнечная система сформировалась значительно позже, около 4,6 миллиарда лет назад (примерно через 9,2 миллиарда лет после Большого взрыва). Она возникла из газопылевого облака, обогащенного тяжелыми элементами от взрывов сверхновых предыдущих поколений звезд. В центре облака сформировалось Солнце, а из оставшегося материала на орбите вокруг него — планеты, включая Землю.

Примерно 3,8–4 миллиарда лет назад на Земле появились условия для зарождения жизни. Первые живые организмы были простыми одноклеточными, и на протяжении миллиардов лет эволюция привела к появлению того поразительного разнообразия жизни, которое мы видим сегодня, включая человека.

Ответ: На протяжении миллиардов лет гравитация формировала из звезд галактики и их скопления; около 4,6 млрд лет назад из остатков древних звезд сформировалась Солнечная система, а на планете Земля зародилась и эволюционировала жизнь.

Наши дни и будущее Вселенной

Сегодня, спустя 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, мы живем во Вселенной, которая продолжает расширяться. Более того, в конце XX века было обнаружено, что это расширение ускоряется. Причиной этого ускорения считается таинственная темная энергия, составляющая около 68% всей энергии-массы Вселенной. Еще около 27% приходится на темную материю — невидимое вещество, которое проявляет себя только через гравитационное взаимодействие и удерживает галактики от разлетания. Обычное, барионное вещество, из которого состоят звезды, планеты и мы с вами, составляет менее 5%.

Будущее Вселенной зависит от свойств темной энергии. Наиболее вероятный сценарий, исходя из текущих данных, — это «Большое замерзание» или «Тепловая смерть». Вселенная будет продолжать расширяться и остывать вечно. Галактики будут удаляться друг от друга, звезды со временем погаснут, и Вселенная превратится в холодное, темное и пустое место, состоящее из элементарных частиц. Другие, более экзотические сценарии, такие как «Большой разрыв» (ускорение разорвет все объекты) или «Большое сжатие» (расширение сменится сжатием), в настоящее время считаются менее вероятными.

Ответ: В настоящее время Вселенная состоит в основном из темной энергии и темной материи и продолжает ускоренно расширяться; наиболее вероятным сценарием ее будущего является вечное расширение и остывание, ведущее к «тепловой смерти».