Номер 5, страница 134 - гдз по физике 9 класс учебник Грачев, Погожев

Глава 2. Динамика. Параграф 22. Строение и эволюция Вселенной - номер 5, страница 134.

Условие.

5. Опишите эволюцию Вселенной согласно гипотезе Большого взрыва.

Решение.

Решение

Гипотеза Большого взрыва является основной космологической моделью, описывающей эволюцию Вселенной. Согласно этой модели, Вселенная возникла около 13,8 миллиардов лет назад из чрезвычайно горячего и плотного состояния — сингулярности — и с тех пор непрерывно расширяется и остывает. Эволюцию можно разделить на несколько ключевых этапов:

1. Планковская эпоха (до $10^{-43}$ с)

Самый ранний момент времени, который может описать современная физика. Вселенная находилась в состоянии сингулярности: имела практически нулевой размер, но бесконечную температуру и плотность. В этот момент все четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное) были объединены в одно. Законы общей теории относительности и квантовой механики в этих условиях неприменимы.

2. Эпоха Великого объединения (от $10^{-43}$ до $10^{-36}$ с)

Температура падает, и гравитационное взаимодействие отделяется от остальных трёх, которые остаются объединёнными. В этот период могли рождаться и аннигилировать гипотетические частицы, такие как X- и Y-бозоны.

3. Инфляционная эпоха и Электрослабая эпоха (от $10^{-36}$ до $10^{-12}$ с)

Начинается период инфляции — сверхбыстрого экспоненциального расширения Вселенной, за время которого её размеры увеличились по меньшей мере в $10^{26}$ раз. Этот процесс объясняет однородность и изотропность наблюдаемой Вселенной, а также её "плоскую" геометрию. В конце этого этапа сильное ядерное взаимодействие отделяется от электрослабого. Вселенная заполнена горячей кварк-глюонной плазмой.

4. Кварковая эпоха (от $10^{-12}$ до $10^{-6}$ с)

Вселенная продолжает остывать. Фундаментальные взаимодействия и частицы принимают современный вид, однако температура всё ещё слишком высока для того, чтобы кварки могли объединиться в адроны (протоны и нейтроны). Вселенная представляет собой "суп" из кварков, лептонов (электронов, нейтрино) и фотонов.

5. Адронная эпоха (от $10^{-6}$ с до 1 с)

Температура падает настолько, что кварки начинают объединяться, образуя адроны, в первую очередь протоны и нейтроны. Происходит аннигиляция большинства пар адрон-антиадрон, но из-за небольшого избытка вещества над антивеществом (бариогенезис) остаётся небольшое количество адронов, которые и составляют всю барионную материю современной Вселенной.

6. Лептонная эпоха (от 1 с до 3 мин)

После аннигиляции адронов основную часть массы Вселенной составляют лептоны (электроны, позитроны, нейтрино) и их античастицы. К концу эпохи температура падает, и большинство пар электрон-позитрон также аннигилирует, оставляя небольшой избыток электронов.

7. Эпоха нуклеосинтеза (от 3 до 20 мин)

Температура и плотность становятся достаточными для того, чтобы протоны и нейтроны начали сливаться, образуя ядра первых лёгких элементов. В основном образуются ядра дейтерия ($H-2$), гелия-4 ($He-4$), а также в незначительных количествах лития ($Li-7$). Примерно 75% барионной массы остаётся в виде протонов (ядер водорода), а 25% — в виде ядер гелия. Этот первичный химический состав Вселенной является одним из ключевых подтверждений теории Большого взрыва.

8. Эпоха доминирования излучения (до 380 000 лет)

После нуклеосинтеза Вселенная заполнена горячей плазмой, состоящей из атомных ядер и свободных электронов. Фотоны постоянно взаимодействуют с электронами (томсоновское рассеяние), из-за чего Вселенная непрозрачна для света. Плотность энергии излучения превышает плотность энергии вещества.

9. Рекомбинация и "Тёмные века" (от 380 000 до ~400 млн лет)

Вселенная остывает примерно до 3000 К. При этой температуре энергии фотонов уже недостаточно, чтобы отрывать электроны от ядер. Свободные электроны захватываются ядрами, образуя нейтральные атомы (в основном водорода и гелия). Этот процесс называется рекомбинацией. После рекомбинации Вселенная становится прозрачной для излучения. Фотоны, переставшие рассеиваться, начинают свободно распространяться в пространстве. Сегодня мы наблюдаем это излучение как реликтовое (Космическое микроволновое фоновое излучение). После этого наступают "Тёмные века" — период, когда не было звёзд и других источников света, а Вселенная была заполнена нейтральным газом.

10. Реионизация и формирование структур (от ~400 млн лет до наших дней)

Под действием гравитации вещество (в основном тёмная материя) начинает собираться в сгустки, образуя гравитационные "колодцы". В них устремляется обычное вещество (газ), плотность которого растёт, пока не зажигаются первые звёзды и галактики. Ультрафиолетовое излучение от этих первых объектов вновь ионизирует нейтральный водород во Вселенной (эпоха реионизации). Гравитация продолжает формировать крупномасштабную структуру Вселенной: скопления и сверхскопления галактик, разделённые гигантскими пустотами (войдами).

11. Современная эпоха (доминирование тёмной энергии)

Примерно 5-6 миллиардов лет назад расширение Вселенной, которое замедлялось под действием гравитации, начало ускоряться. Это явление объясняют наличием тёмной энергии — гипотетической формы энергии с отрицательным давлением, которая равномерно заполняет всё пространство. В настоящее время Вселенная продолжает расширяться с ускорением, и её состав оценивается примерно так: 68% — тёмная энергия, 27% — тёмная материя и лишь около 5% — обычное (барионное) вещество, из которого состоят звёзды, планеты и мы с вами.

Ответ: Эволюция Вселенной согласно гипотезе Большого взрыва представляет собой процесс расширения и остывания из начального сверхплотного и сверхгорячего состояния (сингулярности). Ключевые этапы включают инфляционное расширение, формирование элементарных частиц, первичный нуклеосинтез (образование водорода и гелия), рекомбинацию (когда Вселенная стала прозрачной и возникло реликтовое излучение), формирование первых звёзд и галактик, и, наконец, современную эпоху ускоренного расширения под действием тёмной энергии.