Большой взрыв и эволюция Вселенной

На этот вопрос современная наука дает совершенно определенный ответ: Большой Взрыв был! Вот что, например, написал по этому поводу академик Я.Б. Зельдович в 1983 г.: "Теория "Большого Взрыва" в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Я бы даже сказал, что она столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени, и обе имели много противников, утверждавших, что новые идеи, заложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Но подобные выступления не в состоянии препятствовать успеху новых теорий" Автор не полностью разделяет мнение академика Зельдовича (см. заключение)..

На чем основана уверенность в справедливости теории "горячей Вселенной" См. сноску №7 или главу Сценарий далекого прошлого.? Неужели существуют совершенно неопровержимые свидетельства в её пользу?

Отвечая на все эти вопросы, заметим, что имеется ряд данных, которые не противоречат теории "горячей Вселенной". К их числу относятся, например, данные о возрасте небесных тел. Мы знаем, что возраст Солнечной системы близок к 4,6 млрд. лет. Менее точно известен возраст самых старых звезд. Скорее всего, он близок к возрасту нашей и других галактик. (10-15 млрд. лет). Следовательно, данные о возрасте небесных тел не противоречат данным о возрасте Метагалактики. Если бы, например, получилось, что время, прошедшее от Большого Взрыва меньше, чем возраст Земли, Солнца или Галактики, то это следовало бы рассматривать как факты, противоречащие космологическим моделям Фридмана и "горячей Вселенной".

Данные радиоастрономии свидетельствуют о том, что в прошлом далекие внегалактические радиоисточники излучали больше, чем сейчас. Следовательно, эти радиоисточники эволюционируют. Когда мы сейчас наблюдаем мощный радиоисточник, мы не должны забывать о том, что перед нами его далёкое прошлое (ведь сегодня радиотелескопы принимают волны, которые были излучены миллиарды лет назад). Тот факт, что радиогалактики и квазары эволюционируют, причем время их эволюции соизмеримо со временем существования Метагалактики, принято так же рассматривать в пользу теории Большого Взрыва.

Важное подтверждение "горячей Вселенной" следует из сравнения наблюдаемой распространенности химических элементов с тем соотношением между количеством гелия и водорода (около ј гелия и примерно ѕ водорода), которое возникло во время первичного термоядерного синтеза.

Реликтовое излучение

Что же это за излучение и как оно было открыто? При "отрыве" См. главу Эволюция вещества: лептонная эра. излучения от вещества, когда температура в расширяющейся Вселенной была порядка 3000-4000 К, в ходе последующего расширения Вселенной температура излучения падала, но его характер (спектр) сохранился до наших дней, напоминая о далекой молодости Метагалактики. Вот поэтому советский астрофизик И.С. Шкловский предложил называть это излучение реликтовым.

Итак, нас будет интересовать эпоха, которая отделена от нынешней на 13 - 20 млрд. лет (20 млрд. лет вычислено в соответствии с теорией "открытого мира", 13 млрд. лет - в соответствии с теорией "открытого мира"). Поскольку всё это время наша Вселенная расширялась и плотность ее непрерывно уменьшалась, в прошлом плотность должна была быть очень большой.

Из теории Фридамана следует, что в прошлом плотность могла быть бесконечно большой (на самом деле существует некий предел значения плотности (10⁹⁷ кг/м³). А с начала рассматриваемой нами андронной эры Большого Взрыва Вселенной она не превышает плотности атомного ядра (10¹⁷ кг/м³).

Нам необходимо так же определиться и с другими параметрами, из которых, пожалуй, самым важным, является температура. Вопрос о том, холодной или горячей была материя в ту отдаленную от нас эпоху, долгое время оставался спорным. Приводились доводы в пользу обоих состояний. Решающее доказательство того, что Вселенная была горячей, удалось получить лишь в середине 1960-х.

В настоящее время большинство космологов считает, что в начале расширения Вселенной материя была не только очень плотной, но и очень горячей. А теория, рассматривающая физические процессы, происходившие на ранних стадиях расширения Вселенной, начиная с первой секунды после "начала", получила название теории "горячей Вселенной".

Согласно этой теории, ранняя Вселенная напоминала гигантский ускоритель "элементарных" частиц. Слово "элементарных" взято в кавычки, так как наши представления о составных частях материи быстро изменяются. Если раньше к числу элементарных частиц уверенно от носили нейтроны и протоны, то сейчас эти частицы относят к числу составных, построенных из кварков.

Большой Взрыв: самое начало

Что же такое - расширение Вселенной на более низком, конкретном уровне?

Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда то же самое количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий объём.

Итак, кратко изложим все те умозаключения о возможных параметрах Вселенной на стадии Большого Взрыва, к которым мы пришли.

Средняя плотность Вселенной в результате расширения постепенно понижается. Из этого следует, что в прошлом плотность Вселенной была больше, чем в настоящее время. Можно предположить, что в глубокой древности (примерно десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была очень большой.

Кроме того высокой должна была быть и температура Отсюда - название теории «горячая Вселенная» - теория первых мгновений развития Вселенной., настолько высокой, что плотность излучения превышала плотность вещества. Иначе говоря энергия всех фотонов содержащихся в 1 куб. см была больше суммы общей энергии частиц, содержащихся в 1 куб. см. На самом раннем этапе, в первые мгновения “Большого Взрыва” вся материя была сильно раскаленной и густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы.

частица + античастица ?=гамма-фотона

при условии соприкосновения вещества с антивеществом. Процесс материализации

гамма-фотон =?частица + античастица

мог протекать лишь при достаточно высокой температуре. Согласно тому, как материализация в результате понижающейся температуры раскаленного вещества приостановилась, эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную и звездную.

а) Адронная эра.

Длилась примерно от t=0 соответствует моменту отсчёта времени начала расширения и начала отсчета времени существования Метагалактики. t=10^-6 до t=10^-4. Плотность порядка 10¹⁷ кг/м³ при T=10¹²…10¹³.

При очень высоких температурах и плотности в самом начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц. Вещество на самом раннем этапе состояло прежде всего из адронов, и поэтому ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны.

Через миллионную долю секунды с момента рождения Вселенной, температура T упала на 10 биллионов Кельвинов (10^??K?. Средняя кинетическая энергия частиц kT и фотонов h? составляла около миллиарда эв (10^??Мэв???что соответствует энергии покоя барионов.

В первую миллионную долю секунды эволюции Вселенной происходила материализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но по прошествии этого времени материализация барионов прекратилась, так как при температуре ниже 10^???K фотоны не обладали уже достаточной энергией для ее осуществления. Процесс аннигиляции барионов и антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов (протоны и нейтроны). Так во вселенной исчезла самая большая группа барионов - гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад гиперонов происходил на этапе с 10^?? до 10^?? секунды.

К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды (10^?? с), температура ее понизилась до 10^???K, а энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже для возникновения самых легких адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг 10^?? с., в ней исчезли все мезоны.

На этом и кончается адронная эра, потому что пионы являются не только самыми легкими мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда после этого сильное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды.

б) Лептонная эра.

Длилась примерно от t=0 соответствует моменту отсчёта времени начала расширения и начала отсчета времени существования Метагалактики. t=10^-4 до t=10¹. К концу эры плотность порядка 10⁷ кг/м³ при T=10⁹.

Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.

Лептонная эра начинается с распада последних адронов - пионов - в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре 10^???K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем “реликтовыми".

Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.

в) Фотонная эра или эра излучения.

Длилась примерно от t=0 соответствует моменту отсчёта времени начала расширения и начала отсчета времени существования Метагалактики. t=10^-6 до t=10^-4. Плотность порядка 10¹⁷ кг/м³ при T=10¹²…10¹³.

На смену лептонной эры пришла эра излучения, как только температура Вселенной понизилась до 10^???K, а энергия гамма фотонов достигла 1 Мэв, произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Новые электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, потому, что фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества.

Со времени адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два миллиарда раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по энергии.

Для того чтобы можно было сравнивать роль частиц и фотонов во Вселенной, была введена величина плотности энергии. Это количество энергии в 1 куб. см, точнее, среднее количество (исходя из предпосылки, что вещество во Вселенной распределено равномерно). Если сложить вместе энергию h??всех фотонов, присутствующих в 1 куб. см, то мы получим плотность энергии излучения E_r. Сумма энергии покоя всех частиц в 1 куб. см является средней энергией вещества E_m во Вселенной.

Вследствие расширения Вселенной понижалась плотность энергии фотонов и частиц. С увеличением расстояния во Вселенной в два раза, объём увеличился в восемь раз. Иными словами, плотность частиц и фотонов понизилась в восемь раз. Но фотоны в процессе расширения ведут себя иначе, чем частицы. В то время как энергия покоя во время расширения Вселенной не меняется, энергия фотонов при расширении уменьшается. Фотоны понижают свою частоту колебания, словно “устают" со временем. Вследствие этого плотность энергии фотонов (E_r) падает быстрее, чем плотность энергии частиц (E_m).

Преобладание во вселенной фотонной составной над составной частиц (имеется в виду плотность энергии) на протяжении эры излучения уменьшалось до тех пор, пока не исчезло полностью. К этому моменту обе составные пришли в равновесие (то есть E_r = E_m). Кончается эра излучения и вместе с этим период “Большого Взрыва”. Так выглядела Вселенная в возрасте примерно 300 000 лет. Расстояния в тот период были в тысячу раз короче, чем в настоящее время.

“Большой взрыв" продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную нынешнего возраста Вселенной. Несмотря на краткость срока, это всё же была самая славная эра Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом её начале, во время “большого взрыва”. Все события во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции.

Не следует забывать, что в столь короткое время (всего лишь несколько секунд) из богатого разнообразия видов элементарных частиц исчезли почти все: одни путем аннигиляции (превращение в гамма-фотоны), иные путем распада на самые легкие барионы (протоны) и на самые легкие заряженные лептоны (электроны).

г) Звездная эра.

После “Большого Взрыва” наступила продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц. Мы называем её звездной эрой. Она продолжается со времени завершения “Большого Взрыва” (приблизительно 300 000 лет) до наших дней. По сравнению с периодом “Большого Взрыва” её развитие представляется как будто слишком замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры.

Таким образом, эволюцию Вселенной можно сравнить с фейерверком, который окончился. Остались горящие искры, пепел и дым. Мы стоим на остывшем пепле, вглядываемся в стареющие звезды и вспоминаем красоту и блеск Вселенной. Взрыв суперновой или гигантский взрыв галактики - ничтожные явления в сравнении с большим взрывом.

"Итоги первых шагов Маленькой Вселенной" Академик Я.Б. Зельдович.

Эти элементы рассеивались в пространстве (например, в результате взрыва сверхновых), и из них постепенно возникали новые тела: звезды и планеты.

Будущее нашей Вселенной зависит от ее критической плотности. То есть от ее фактического определения. А здесь главная проблема состоит в том, есть ли на самом деле огромные массы какого-либо скрытого вещества Замедление расширения пропорционально плотности Вселенной.

Возможна ситуация, когда при сегодняшней скорости расширения плотность вещества Вселенной достаточно мала и замедление мало. Тогда расширение будет протекать неограниченно. Но возможно, что плотность достаточно велика, а значит велико замедление расширения. В результате расширение прекратится и заменится сжатием.

Заключение

В этот направлении, по-видимому, и стоит ждать новых открытий в данной области, т.к. данный вопрос в целом является еще не полностью изученным и требует серьёзных исследований.

Словарь специальных терминов

Аннигиляция - превращение частиц и античестицц при их столкновении в другие частицы (например, протон + антипротон = n-мезонов; электрон + позитрон = nФотонов).

Барионы - "тяжёлые" элементарные частицы с массой меньше протона и спином, равным Ѕ. К ним относят, например нуклоны (протоны и нейтроны), а так же много других частиц /см. кварки/.

Бозоны - большой класс элементарных частиц с целочисленным спином (например, фотоны со спином 1). К этому классу принадлежат мезоны, промежуточные векторные бозоны и др. частицы.

Векторные нуклоны - см. барионы.

Гамма-излучение - излучение, возникающее при торможении заряженных частиц большой энергии в веществе, аннигиляции пар и т.д.

Глюоны - гипотетические элементарные частицы (спин равен 1, масса покоя 0), обеспечивающие взаимодействие между кварками.

Лептоны - физически наиболее легкие элементарные частицы со спином Ѕ, не имеющие барионного заряда, но обладающие лептонным зарядом; к лептонам относятся электрон, тяжелый лептон, позитрон, нейтрино, мюон, несущий электрический заряд и их античастицы.

Мезоны - нестабильные элементарные частицы с массами, промежуточными между массами протона и электрона (спин равен 0) /см. кварки/.

Мюон - нестабильные положительно и отрицательно заряженные элементарные частицы со спином Ѕ и массой ок. 207 электронных масс и временем жизни ~ 10^-6 с; относятся к лептонам.

Нейтрино - физически нестабильная нейтральная элементарная частица с массой, равной, по-видимому 0, и спином Ѕ. Относится к лептонам. Возникает при бета-распаде атомных ядер и при распаде элементарных частиц; чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом.

Нейтроны - физически - электрически нейтральный элемент частицы с массой, почти равной массе протона и спином Ѕ; входит в состав атомных ядер; в свободном состоянии нестабилен; время жизни 16 минут /см. барионы/.

Пионы - -мезоны - группа трех нестабильных элементарных частиц (адронов) с нулевым спином и массой около 270 электронных масс; 2 пиона (⁺ и ^-) несут элементарный заряд, третий (⁰) электрически нейтрален; являются переносчиками ядерных сил.

Протон - стабильная элементарная частица со спином Ѕ и массой в 1836 электронных масс (~10^-24 г), относящаяся к барионам; ядро легкого изотопа атома водорода (протия). Вместе с нейтронами протоны образуют все атомные ядра.

Электрон - стабильная отрицательно заряженная элементарная частица со спином Ѕ, массой ок.9·10^-28 г и магнитным моментом, равным магнетону Бора; относится к лептонам и участвует в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях. Электрон один из основных структурных элементов вещества; электронные оболочки атомов определяют оптические, электрические, магнитные и химические свойства атомов и молекул, а также большинство свойств твердых тел.

Список литературы