Сделай Сам Свою Работу на 5

РАННИЙ ЭТАП ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ

ТЕМА 15 ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ

РОЖДЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ

Вопрос о возникновении Вселенной для многих поколений ученых был предметом их научного поиска. В истории науки существовало множество гипотез, отвечающих на этот вопрос. Современное естествознание объясняет возникновение Вселен­ной с помощью теории Большого взрыва.

Примерно 15 млрд. лет отделяет нашу эпоху от начала про­цесса расширения Вселенной, когда вся наблюдаемая нами Все­ленная была сжата в комочек, в миллиарды раз меньший була­вочной головки. Если верить математическим расчетам, то в на­чале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние назы­вается сингулярностью - точечный объем с бесконечной плотно­стью. Известные законы физики в сингулярности не работают. Более того, нет уверенности, что наука когда-либо познает и объяснит такие состояния. Так что если сингулярность и являет­ся начальным простейшим состоянием нашей расширяющейся Вселенной, то наука не располагает о нем информацией.

В состоянии сингулярности кривизна пространства и вре­мени становится бесконечной, сами эти понятия теряют смысл. Идет не просто замыкание пространственно-временного кон­тинуума, как это следует из общей теории относительности, а его полное разрушение. Правда, понятия и выводы общей тео­рии относительности применимы лишь до определенных пре­делов - масштаба порядка КГ33 см. Дальше идет область, в ко­торой действуют совсем иные законы. Но если считать, что начальная стадия расширения Вселенной является областью, в которойv господствуют квантовые процессы, то они должны подчиняться принципу неопределенности Гейзенберга, соглас­но которому вещество невозможно стянуть в одну точку. То­гда получается, что никакой сингулярности в прошлом не бы­ло и вещество в начальном состоянии имело определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все веще­ство наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно

в 10"г, сжать до плотности 1094 г/см3, оно заняло бы объем



около 10~33 см3, что примерно в 1000 раз больше объема ядра атома урана. Его нельзя было бы разглядеть и в электронный микроскоп.

Причины возникновения такого начального состояния (или сингулярности - эту гипотезу и сегодня поддерживают многие ученые), а также характер пребывания материи в этом состоя­нии считаются неясными и выходящими за рамки компетенции любой современной физической теории. Неизвестно также, что было до момента взрыва. Долгое время ничего нельзя было сказать и о причинах Большого взрыва, и о переходе к расши­рению Вселенной, но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы.

Итак, очевидно, что исходное состояние перед «началом» не является точкой в математическом смысле, оно обладает свойствами, выходящими за рамки научных представлений се­годняшнего дня. Не вызывает сомнения, что исходное состоя­ние было неустойчивым, породившим взрыв, скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной. Это, очевидно, было самое простое состояние из всех, реализовавшихся позднее вплоть до наших дней. В нем было нарушено все, что нам при­вычно: формы материи, законы, управляющие их поведением, пространственно-временной континуум. Такое состояние можно назвать хаосом, из которого в последующем развитии системы шаг за шагом формировался порядок.

Хаос оказался неустойчивым, это послужило исходным толчком для последующего развития Вселенной.

Еще Демокрит утверждал, что мир состоит из атомов и пустоты - абсолютно однородного пространства, разделяю­щего атомы и тела, в которые они соединяются. Современная наука на новом уровне интерпретирует атомизм, и вносит со­вершенно иной смысл в понятие среды, разделяющей части­цы. Эта среда отнюдь не является абсолютной пустотой, она вполне материальна и обладает весьма своеобразными свой­ствами, пока еще мало изученными. По традиции, эта среда, неотделимая от вещества, продолжает называться пустотой, вакуумом.

Вакуум - это пространство, в котором отсутствуют реаль­ные частицы и выполняется условие минимума плотности энергии в данном объеме. Казалось бы, раз нет реальных час­тиц, то пространство пусто, в нем не может содержаться энергия, даже минимальная. Но это представление пришло к нам из классической физики. Квантовая же теория, опираясь на принцип неопределенности Гейзенберга, опровергает его. Мы помним, что применительно к теории поля принцип не­определенности утверждает невозможность одновременного точного определения напряженности поля и числа частиц. Раз число частиц равно нулю, то напряженность поля не может равняться нулю, иначе оба параметра будут извест­ны, и принцип неопределенности будет нарушен. Напряжен­ность поля в вакууме может существовать лишь в форме флуктуационных колебаний около нулевого значения. Соот­ветствующая этим колебаниям энергия будет минимально возможной.

В соответствии с признанным дуализмом волновых и кор­пускулярных свойств колебания полей обязаны порождать частицы. И здесь мы сталкиваемся еще с одним парадоксом микромира. Квантовые эффекты могут на очень короткое вре­мя приостанавливать действие закона сохранения энергии. В течение этого промежутка времени энергия может быть взята «взаймы» на различные цели, в том числе на рождение частиц. Разумеется, все возникающие при этом частицы будут корот-коживущие, так как израсходованная на них энергия должна быть возвращена спустя ничтожную долю секунды. Тем не ме­нее частицы могут фактически возникнуть из ничего, обретая мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть. И эту скоро­течную деятельность невозможно предотвратить. Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить след своего кратковременного существования. Они представляют собой разно­видность виртуальных частиц, аналогичных переносчикам взаимо­действия, но не предназначенных для получения или передачи сигналов.

Таким образом, «пустой» вакуум оказывается заполненным виртуальными частицами. Он не безжизнен и безлик, а полон энергии. А то, что мы называем частицами, - всего лишь ред­кие возмущения, подобные «пузырькам» на поверхности цело­го моря активности.

Современные теории предполагают, что энергия вакуума проявляется отнюдь не однозначно. Вакуум может быть воз­бужденным и находиться в одном из многих состояний с силь­но различающимися энергиями, подобно тому, как атом может возбуждаться, переходя на уровни с более высокой энергией, причем различие между самой низкой и самой высокой энер­гиями невообразимо велико.

Очевидно, вакуум играет роль базовой формы материи. На самой ранней фазе эволюции Вселенной именно ему отводится ведущая роль. Экстремальные условия «начала», когда даже пространство-время было деформировано, предполагают, что и вакуум находился в особом состоянии, которое называют «ложным» вакуумом. Оно характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения, отрицательное давление, которое равносильно гравитационному отталкиванию такой величины, которое и вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной - Большой взрыв. Это и было перво­толчком, «началом».

С началом стремительного расширения Вселенной возни­кает время и пространство. По разным оценкам период «раздувания» занимает невообразимо малый промежуток времени - до 10 с после «начала». Он называется инфляци­онным периодом. За это время Вселенная успевает раздуться до гигантского «пузыря», радиус которого на несколько по­рядков превышает радиус современной нам Вселенной, но там практически отсутствуют частицы вещества. Это еще не то расширение, о котором мы говорили, а предпосылка к нему. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно горячей. Этот всплеск тепла обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Когда это со­стояние вакуума распалось, его энергия высвободилась в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до 1027К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории горячего Большого взрыва.

РАННИЙ ЭТАП ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ

Доступная астрономическим наблюдениям современная Вселенная состоит на 99% из водорода и гелия, но в первона­чальном плазмоподобном сгустке не было ни водорода, ни ге­лия. Теория Большого взрыва утверждает, что от появления протовещества до образования ядер водорода и гелия прошло немногим более трех секунд. На этом временном промежутке стремительно преобразовывались вакуум и вещество, а этапы преобразования определялись процессами расширения и осты­вания сгустка.

При температуре 1027 К, если только справедлива гипотеза Большого объединения, лептоны и кварки в сгустке свободно превращались друг в друга, то есть были неразличимы. В среде существовал единый вид взаимодействия и роль его частицы-посредника выполнял скалярный бозон, названный X-бозоном. Это была необычайно массивная частица, порядка

10~9г, что в 1014 раза больше массы протона. Эти частицы ис­чезли после снижения температуры в ранней Вселенной, остат­ков их пока не найдено, ожидать, что такие частицы могут быть обнаружены, не приходится, так как подобных темпера­тур нет нигде в современной Вселенной.

Через 10~33 секунды после «начала» кварки и лептоны раз­делились, а сильное взаимодействие отделилось от электросла­бого. Единый Х-бозон распался на глюоны и безмассовый бозон - переносчик электрослабого взаимодействия. К момен­ту прекращения переходов кварков в лептоны число кварков несколько превышало число антикварков (вообще, современ­ное существование Вселенной связано с нарушениями симмет­рии), а число электронов - число позитронов. В общем сгустке число частиц в каждом миллиарде оказывалось на единицу больше числа античастиц. Это и определило дальнейшее появ­ление вещественной Вселенной с галактиками, звездами, пла­нетами и разумными существами на некоторых из них.

Следующая критическая точка - 10~|0с, когда температура

снизилась до 1015 К. После этого безмассовый электрослабый бозон разделился на безмассовый фотон и три тяжелых век­торных бозона. Электрослабое взаимодействие разделилось на слабое и электромагнитное. Во Вселенной утвердились все че­тыре известные ныне науке фундаментальные взаимодействия.

При снижении температуры до 1013К прекращается сво­бодное существование кварков, они сливаются в адроны.

Ранний период развития Вселенной завершается лептонно-фотонной эрой. Образуются барионы и антибарионы, которые аннигилируют, оставляя после себя фотоны и выделившуюся энергию. Но так как барионов немного больше, чем антиба-рионов, оставшиеся стали примесью в однородной смеси фо­тонов и лептонов. Такое состояние было достигнуто через 0,01 с после «начала».

В течение первой секунды температура снизилась до 10 млрд. градусов. Этого оказалось достаточно для отделения от газовой смеси нейтрино и антинейтрино. К 14 секунде темпе­ратура упада до 3 млрд. градусов и при этом появились усло­вия для соединения и аннигиляции электронов и позитронов. При этом электронов опять-таки было немного больше, чем позитронов. Их избыток и суммарный отрицательный заряд точно компенсировал суммарный положительный заряд про­тонов, которые появились раньше. Также в протоны превра­щались свободные нейтроны, пока в конце концов отношение числа протонов к числу нейтронов не стало равно 8:1, оно со­хранилось в дальнейшем и определило соотношение водорода и гелия во Вселенной.

Спустя 3 минуты 2 секунды после «начала» температура снизилась до миллиарда градусов. На этом завершилось фор­мирование ранней Вселенной и начался процесс соединения протонов и нейтронов в составные ядра - нуклеосинтез. Плот­ность вещества в это время уже была в сто раз меньше плотно­сти воды, размеры Вселенной возросли почти до 40 световых лет (для расширения пространства скорость света не является предельной). Через полчаса после «начала» барионное вещест­во Вселенной состояло из 28% гелия, остальное - ядра водорода (протоны). Но барионное вещество - это ничтожная часть Все­ленной, ее основными компонентами были фотоны и нейтрино.

Затем почти 500 тысяч лет шло медленное остывание. Все­ленная, оставаясь однородной, становилась все более разре­женной. Когда она остыла примерно до 3 тысяч градусов, про­тоны (ядра водорода) и ядра атомов гелия уже могли захваты­вать свободные электроны и превращаться при этом в ней­тральные атомы водорода и гелия. Излучение отделилось от атомарного вещества и образовало то, что в нашу эпоху на­звали реликтовым излучением. В своей структуре реликтовое излучение сохранило «память» о структуре барионного веще­ства в момент разделения. Сегодня его энергия снизилась до температуры всего ЗК. И оно излучает радиоволны в санти­метровом диапазоне. Эти радиоволны были открыты в 1964 г. и стали серьезным подтверждением концепции «горячей» Все­ленной. Они равномерно поступают из всех точек небосвода и не связаны с каким-нибудь отдельным радиоисточником.

В результате мы имеем однородную Вселенную, представ­ляющую собой смесь трех почти не взаимодействующих суб­станций: лептонов (нейтрино и антинейтрино), реликтового излучения (фотоны) и барионного вещества (атомы водорода, гелия и их изотопы). В сложившихся условиях, когда уже нет ни высоких температур, ни больших давлений, казалось, пер­спективой было бы дальнейшее расширение и остывание Все­ленной, завершающееся образованием «лептонной пустыни» -чем-то вроде тепловой смерти. Но этого не произошло, напро­тив, произошел скачок, создавший современную структурную Вселенную. По современным оценкам, переход от однородной Вселенной к структурной занял от 1 до 3 миллиардов лет.



©2015- 2019 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.