Министерство образования и науки РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н.Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО»

Кафедра математической кибернетики

и компьютерных наук

Основные проблемы теории гравитации и космологии

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Физика»

Выполнили студенты 111 группы

Направления «Фундаментальная

информатика и информационные технологии»

Факультета Компьютерных Наук и Информационных Технологий

Василий Кочемазов и Филатова Ольга

Саратов 2019

Содержание Введение 3

1. Основные положения теории гравитации и космологии 4

2. Материя, темная материя и физический вакуум 7

3. Темная энергия во вселенной 9

Заключение 14

Список использованной литературы 15

Введение

В космологии ещё со времён античности стоял вопрос: почему наша Вселенная выглядит именно так, а не иначе? Возможны ли в принципе иные миры, устроенные по другим законам? В современной науке более строго этот вопрос звучит так: почему универсальные физические постоянные (Планка, скорость света, гравитацион­ная постоянная, заряд электрона и протона) имеют такие, а не иные значения, и что случилось бы со Вселенной, если бы эти значения оказались другими?

Естественно, что у учёных возникло желание проверить, какими окажутся для Вселенной последствия изменения значений физических постоянных. Про­веденный ими анализ привел к очень интересным выводам. Оказалось, что дос­таточно небольших, в пределах 10-30 процентов отклонений значений постоян­ных в ту или другую сторону - и наша Вселенная окажется настолько прими­тивной материальной системой, что ни о какой её эволюции не сможет идти и речь. Не смогут существовать основные уровни организации материи - атомы, звезды и галактики. Например, при увеличении постоянной Планка более чем на 15 процентов протон не сможет объединиться с нейтроном, то есть стано­вится невозможным образование ядер атомов химических элементов. Тот же результат получается, если увеличить массу протона на 30 процентов.

Основная цель работы – изучение основных проблем теории гравитации и космологии.

Для этого необходимо выполнить следующие задачи: изучение большого взрыва, вещества и антивещества, зарождение структур галактик и их скоплений; рассмотрение возникновения темной материи.

1. Основные положения теории гравитации и космологии

Большой взрыв — гипотетическое начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии. Согласно моделям Большого взрыва, Вселенная была изначально очень горячей и плотной и быстро расширялась. Это расширение вызвало охлаждение Вселенной, и на сегодня она продолжает расширяться. На основе наилучших имеющихся измерений по состоянию на 2010 год, первоначальное состояние Вселенной существовало около 13,7 миллиардов лет назад, когда и произошел Большой взрыв. Теория наиболее полно и точно объясняет научные данные и наблюдения.

Жорж Леметр предложил то, что сегодня известно как теория Большого Взрыва о происхождении Вселенной, он назвал ее «гипотезой первобытного атома». Теория опирается на общую теорию относительности Альберта Эйнштейна и на упрощенные допущения, как то однородность и изотропии пространства. Основные уравнения были сформулированы Александром Фридманом. В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что расстояние до галактики, как правило, пропорционально её красному смещению. Эта идея изначально была предложена Леметром в 1927 году. Наблюдениями Хаббла было выявлено, что все галактики имеют тенденцию на отдаление от нашей Галактики, причем, чем дальше находится галактика, тем больше скорость удаления.[3]

Ядра антивещества построены из антинуклонов а внешняя оболочка состоит из позитронов. Вследствие инвариантности сильного взаимодействия относительно зарядового сопряжения (C-инвариантности) антиядра обладают массой и энергетическим спектром такими же, как у ядер, состоящих из соответствующих нуклонов, причем атомы антивещества и вещества должны иметь идентичную структуру и химические свойства, с одним единственным НО, столкновение объекта, состоящего из вещества, с объектом из антивещества приводит к аннигиляции входящих в их состав частиц и античастиц.  Аннигиляция медленных электронов и позитронов ведет к образованию гамма-квантов, а аннигиляция медленных нуклонов и антинуклонов - к образованию нескольких пи-мезонов. В результате последующих распадов мезонов образуется жесткое гамма-излучение с энергией гамма-квантов более 70 МэВ. 

Антиэлектроны (позитроны) были предсказаны П. Дираком и вслед за этим экспериментально обнаружены в “ливнях” П. Андерсоном, даже не знавшем тогда о предсказании Дирака. Это открытие было отмечено Нобелевской премий по физике 1936 г. Антипротон был открыт в 1955 г. на “Беватроне” в Беркли, что также было удостоено Нобелевской премии. В 1960 там же обнаружили антинейтрон. С введением в действие Серпуховского ускорителя и нашим физикам кое в чем удалось выйти вперед – в 1969 году там были открыты ядра антигелия. Но атомы антивещества получить не удавалось. Да если быть откровенным, то и античастиц за все время существования ускорителей получили ничтожные количества - всех антипротонов, синтезированных в ЦЕРНе за год, хватит на работу одной электрической лампочки в течение нескольких секунд. 

Но интерес к антивеществу - антиматерии отнюдь не чисто теоретический. Двигатель на антивеществе может работать, например следующим образом. Сначала создают два облака из нескольких триллионов антипротонов, которые от соприкосновения с материей удерживает электромагнитная ловушка. Потом между ними вводят частичку топлива весом в 42 нанограмма. Она представляет собой капсулу из урана-238, в которую заключена смесь дейтерия и гелия-3 или дейтерия и трития. 

Антипротоны моментально аннигилируют с ядрами урана и вызывают их распад на фрагменты. Эти фрагменты, вместе с образовавшимися гамма-квантами, так сильно разогревают внутренность капсулы, что там начинается термоядерная реакция. Ее продукты, обладающие огромной энергией, еще сильнее разгоняются магнитным полем и улетают через сопло двигателя, обеспечивая космическому кораблю неслыханную тягу.

Что же касается полета к Марсу за один месяц, то для него американские физики рекомендуют использовать другую технологию - ядерное деление, катализируемое антипротонами. Тогда на весь полет потребуется 140 нанограммов антипротонов, не считая радиоактивного топлива. 

Новые измерения, проведенные в стэндфордском исследовательском центре (Калифорния), где установлен линейный ускоритель элементарных частиц, позволили ученым продвинуться в ответе на вопрос, почему во вселенной вещество преобладает над антивеществом. 

Результаты эксперимента подтверждают сделанные ранее предположения о развитии дисбаланса этих противоположных сущностей. Однако ученые говорят, что проведенные исследования поставили больше вопросов, чем ответов: опыты с ускорителем не могут дать полного объяснения, почему в космосе так много вещества - миллиарды галактик, наполненных звездами и планетами. [5]

Ученые, работающие с ускорителем, измеряли параметр, известный как синус двух бета (0,74 плюс или минус 0,07). Этот показатель отражает степень асимметрии между веществом и антивеществом. 

В результате Большого взрыва должно было образоваться одинаковое количество вещества и антивещества, которые затем аннигилировали и не оставили ничего кроме энергии. Однако обозреваемая нами вселенная является неоспоримым доказательством победы вещества над антивеществом. 

Чтобы понять, как это могло произойти, физики рассмотрели эффект, называемый нарушением равенства зарядов. Для наблюдения такого эффекта ученые изучали B-мезоны и анти-B-мезоны, частицы с очень коротким периодом жизни - триллионные доли секунды. 

Различия в поведении этих абсолютно противоположных частиц показывают различия между веществом и антивеществом и отчасти объясняют, почему одно преобладает над другим. Миллионы B-мезонов и анти-B-мезонов, необходимых для эксперимента, образовались в результате столкновения в ускорителе лучей электронов и позитронов. Первые результаты, полученные еще в 2001 году, четко показывают нарушение равенства зарядов у B-мезонов. [4]