Эволюция Вселенной

I. Эволюция Вселенной

 

  Вопрос о  возникновении и развитии Вселенной  был предметом научного поиска  для многих поколений ученых. В истории науки существовало  множество гипотез, отвечающих  на этот вопрос. Современное естествознание объясняет возникновение Вселенной с помощью концепции Большого взрыва, впервые предложенной известным физиком Г. Гамовым в 1948 г. Основные черты этой модели сохранились до сих пор, хотя и были позже дополнены теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Тутом и П. Стейнхардтом и дополненной советским физиком  А.Д. Линде. Также нужно отметить, что для описания эволюции Вселенной были использованы метод глобального эволюционизма и концепция самоорганизации материи.

  Исследуя  проблему происхождения Вселенной, известный американский астроном Карл Саган построил образную модель ее эволюции, в которой космический год равен 15 млрд земных лет, а 1 секунда - 500 годам. В таком случае эволюция Вселенной будет выглядеть так:

 

Большой взрыв 1 января 0 ч 0 мин

Образование галактик 10 января

Образование Солнечной системы     9 сентября

Образование Земли 14 сентября

Возникновение жизни на Земле       25 сентября

Океанский планктон 18 декабря

Первые  рыбы 19 декабря

Первые  динозавры 24 декабря

Первые  млекопитающие 26 декабря

Первые  птицы 27 декабря

Первые  приматы 29 декабря

Первые  гоминиды 30 декабря

Первые  люди 31 декабря в 22 часа 30 минут

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Рождение Вселенной

 

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).

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 10^-33 см. Дальше идет область, в которой действуют совсем иные законы. Но если считать, что начальная стадия расширения Вселенной является областью, в которой 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 10⁶¹ 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, 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 переходе к расширению Вселенной. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе  инфляционной модели развития Вселенной.

 

Демокрит  утверждал, что мир состоит из атомов и пустоты - абсолютно однородного пространства, разделяющего атомы и тела, в которые те соединяются, но демокритовское представление о пустоте как о среде, разделяющей частицы, изменилось кардинально. Эта среда не является абсолютной пустотой, она вполне материальна и обладает весьма своеобразными свойствами, пока еще малоизученными. 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.

Напряженность поля в вакууме представляет собой флуктуационные колебания около нулевого значения. Соответствующая этим колебаниям энергия будет минимально возможной.

  В соответствии со свойством  корпускулярно-волнового дуализма 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 короткоживущими, 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 следы своего кратковременного существования. Они представляют собой разновидность виртуальных частиц, аналогичных переносчикам взаимодействий, 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 может находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями. При этом разным энергетическим уровням вакуума соответствуют разности отрицательных давлений, так как для квантового вакуума характерно наличие сил отталкивания.

Очевидно вакуум играет роль базовой формы материи.

 

Экстремальные условия «начала», когда даже пространство-время было деформировано, предполагают, что и вакуум находился в особом состоянии, которое называют «ложным» вакуумом. Состояние «ложного» вакуума характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества, в результате чего в веществе могут возникать сильнейшие напряжения, отрицательные давления, равносильные гравитационному отталкиванию такой величины, что оно вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной - Большой взрыв. Это и было первотолчком, «началом» нашего мира.

Самый ранний этап эволюции Вселенной занял 10^-43 с и получил название эры квантовой гравитации. В эру квантовой гравитации все четыре фундаментальных взаимодействия были объединены и не отличались друг от друга.

 

К концу  периода Вселенная охладилась настолько, что гравитационное взаимодействие отделилось от других взаимодействий, оставшихся слитными.

С этого  момента начинается стремительное расширение Вселенной, возникают время и пространство.

По  разным оценкам, период «раздувания», идущий по экспоненте, занимает чрезвычайно малый промежуток времени - до 10^-33 с после «начала». Он называется инфляционным периодом. За 10^-33 с размеры Вселенной увеличились в 10⁵⁰ раз.

К концу  фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно «горячей». Всплеск тепла, осветивший космос, обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Такое состояние вакуума очень неустойчиво и стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, заканчивается и инфляция. Энергия, существовавшая в виде множества реальных частиц, высвободилась в виде излучения, мгновенно нагревшего Вселенную до 10²⁷ К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории «горячего» Большого взрыва. Благодаря энергии возникли вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать и испытывать последовательные фазовые переходы, каждый из которых переводил ее в более сложное состояние.       

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                          

 

 

 

 

 

 

 

2. Ранний этап эволюции Вселенной

 

Доступная наблюдению часть Вселенной 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 атомов водорода и гелия прошло немногим более трех минут. На этом временном промежутке стремительно преобразовывались вакуум и вещество, а этапы преобразования определялись процессами расширения и остывания сгустка.

 К этому  времени, названному эрой Великого объединения, Вселенная представляла собой плазму из элементарных частиц всех видов и их античастиц в состоянии термодинамического равновесия при температуре 10²⁷ К. В этом сгустке были лептоны (электроны, мюоны, тау-лептоны, все виды нейтрино), кварки и их античастицы. Все они свободно превращались друг в друга. В сгустке помимо гравитационного взаимодействия существовало великое (большое) взаимодействие со своим переносчиком - бозоном Хиггса. Плотность Вселенной в это время была столь велика, что она была непрозрачна для электромагнитного излучения. Эра Великого объединения продолжается от 10^-43 до 10^-33 с.

Далее от 10^-33с до 10^-6.. наступила адронная эра. Она началась с разделения кварков и лептонов, когда температура понизилась и стала меньше 10²⁷ К. При этом сильное взаимодействие отделилось от электрослабого. Бозон Хиггса распался на глюоны и безмассовый бозон - переносчик электрослабого взаимодействия. К моменту прекращения переходов кварков в лептоны число кварков несколько превышало число антикварков, а число электронов - число позитронов. Таким образом, современное существование Вселенной связано с нарушением симметрии на самых ранних этапах ее эволюции.

Причины такой асимметрии точно неизвестны до сих пор. В общем плазмоподобном сгустке на каждый миллиард пар частиц и античастиц приходилась одна частица, которой не хватало пары для аннигиляции. Это и определило дальнейшее появление вещественной Вселенной с галактиками, звездами, планетами и разумными существами на некоторых из них.

При снижении температуры до 10¹⁵ К электрослабое взаимодействие разделилось на слабое и электромагнитное. При этом электрослабый бозон распался на фотон и три тяжелых векторных бозона. Таким образом, во Вселенной утвердились все четыре известные сегодня науке фундаментальные взаимодействия.

  Понижение температуры до 10¹³ К прекратило свободное существование кварков. Они слились в адроны, важнейшими из которых стали протоны и нейтроны. При этом барионов опять-таки было больше, чем антибарионов.

 Далее наступает лептонная эра, продолжающаяся от 10^-6 до 1 с после начала. Температура при этом упала от 10¹² до 10¹⁰ К. В это время основную роль играли лептоны, участвовавшие во взаимных превращениях протонов и нейтронов. К концу лептонной эры происходила аннигиляция электронов и позитронов.В конце лептонной эпохи вещество стало прозрачным для нейтрино, которые перестали взаимодействовать с веществом и с тех пор дожили до наших дней.

Вслед за лептонной  следует фотонная эра (эра излучения), которая продолжалась от 1 с до 1 млн лет. Температура Вселенной снизилась от 10⁹ до 3000 К.

На  протяжении первых трех минут происходили важнейшие для дальнейшей эволюции Вселенной процессы первичного нуклеосинтеза - соединения протонов и нейтронов (которых было примерно в 8 раз меньше, чем протонов) в атомные ядра. К концу этого процесса вещество Вселенной состояло на 75% из протонов (ядер водорода), около 25% составляли ядра гелия, сотые доли процента пришлись на дейтерий, литий и другие легкие элементы. Барионное вещество составляло ничтожную часть Вселенной, ее основными компонентами были фотоны и нейтрино. К этому времени Вселенная стала прозрачной для фотонов, так как излучение отделилось от вещества и образовало то, что в нашу эпоху называется реликтовым излучением.

Затем почти 500 тысяч лет не происходило  никаких качественных изменений - шло медленное остывание и расширение Вселенной. Вселенная, оставаясь однородной, становилась все более разреженной. Когда она остыла до 3 тысяч градусов, ядра атомов водорода и гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться при этом в электронейтральные атомы водорода и гелия.

  В результате образовалась однородная  Вселенная, состоящая из трех  почти не взаимодействующих субстанций:

1. барионного вещества (водорода, гелия и их изотопов);
2. лептонов (нейтрино и антинейтрино);
3. излучения (фотонов).

  К этому времени уже не было высоких температур и больших давлений. Казалось, в перспективе Вселенную ждет дальнейшее расширение и остывание, образование «лептонной пустыни» — что-то вроде тепловой смерти. Но этого не произошло, напротив, произошел скачок, создавший современную структурную Вселенную. По современным оценкам, переход от однородной к структурной Вселенной занял от 1 до 3 миллиардов лет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Структурная самоорганизация Вселенной

 

Первым  условием образования галактик во Вселенной стало появление случайных скоплений вещества в однородной Вселенной.

 

Вторым  условием появления галактик стало  наличие малых возмущений, флуктуации вещества, ведущих к отклонению от однородности и изотропности пространства. Именно флуктуации и стали теми «затравками», которые привели к появлению более крупных уплотнений вещества.

К сожалению, современной науке пока неизвестны причины появления таких флуктуации. Но считается, что наличие единственной силы — гравитации, действующей в однородной Вселенной, достаточно для нарушения исходной однородности. Анализ процессов гравитационной неустойчивости привел к понятию «джинсовой массы» и «джинсова размера» (в честь Д. Джинса — знаменитого английского астронома, занимавшегося анализом данных проблем).