Представление о развитии Вселенной закономерно привело к постановке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее конца (смерти). В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причин и процесса рождения самой Вселенной. Из всей совокупности современных космологических теорий только теория Большого взрыва Г.Гамова смогла к настоящему времени удовлетворительно объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты модели Большого взрыва сохранились до сих пор, хотя и были позже дополнены теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А.Гутом и П.Стейнхардтом и дополненной советским физиком А.Д.Линде.
В 1948 г. выдающийся американский физик русского происхождения Г.Гамов выдвинул предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном крохотном сверхплотном сгустке. 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. В этом состоянии теряют смысл понятия пространства и времени, поэтому бессмысленно спрашивать, где находилась эта точка. Также современная наука ничего не может сказать о причинах появления такого состояния.
Тем не менее, согласно принципу неопределенности Гейзенберга вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все вещество наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 1061г, сжать до плотности I094г/см3 то оно займет объем около 10-33см3. Ни в какой электронный микроскоп разглядеть ее было бы невозможно. Долгое время ничего нельзя было сказать о причинах Большого взрыва и переходе Вселенной к расширению. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе инфляционной модели развития Вселенной.
Основная идея концепции Большого взрыва состоит в том, что Вселенная на ранних стадиях возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с большой плотностью энергии. Эта энергия возникла из квантового излучения, т.е. как бы из ничего. Дело в том, что в физическом вакууме отсутствуют фиксируемые частицы, поля и волны, но это не безжизненная пустота. В вакууме имеются виртуальные частицы, которые рождаются, имеют мимолетное бытие и тут же исчезают. Поэтому вакуум «кипит» виртуальными частицами и насыщен сложными взаимодействиями между ними. Причем, энергия, заключенная в вакууме, располагается как бы на его разных этажах, т.е. имеется феномен разностей энергетических уровней вакуума.
Пока вакуум находится в равновесном состоянии, в нем существуют лишь виртуальные (призрачные) частицы, которые занимают в долг у вакуума энергию на короткий промежуток времени, чтобы родиться, и быстро возвращают позаимствованную энергию, чтобы исчезнуть. Когда же вакуум по какой-либо причине в некоторой исходной точке (сингулярности) возбудился и вышел из состояния равновесия, то виртуальные частицы стали захватывать энергию без отдачи, и превращались в реальные частицы. В конце концов, в определенной точке пространства образовалось огромное множество реальных частиц вместе со связанной ими энергией. Когда же возбужденный вакуум разрушился, то высвободилась гигантская энергия излучения, а суперсила сжала частицы в сверхплотную материю. 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, отрицательные давления, равносильные гравитационному отталкиванию такой величины, что оно вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной — Большой взрыв. Это и было первотолчком, «началом» нашего мира.
С этого момента начинается стремительное расширение Вселенной, возникают время и пространство. В это время идет безудержное раздувание «пузырей пространства», зародышей одной или нескольких вселенных, которые могут отличаться друг от друга своими фундаментальными константами и законами. Один из них стал зародышем нашей Метагалактики.
По разным оценкам, период «раздувания», идущий по экспоненте, занимает невообразимо малый промежуток времени — до 10-33с после «начала». Он называется инфляционным периодом. За это время размеры Вселенной увеличились в 1050 раз, от миллиардной доли размера протона до размеров спичечного коробка.
К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно «горячей». Этот 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. А энергия, связанная в виде множества реальных частиц, высвободилась в виде излучения мгновенно нагревшего Вселенную до 1О27 К.
Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой плазму из элементарных частиц всех видов и их античастиц в состоянии термодинамического равновесия при температуре IO27К, которые свободно превращались друг в друга. В этом сгустке существовали только гравитационное и большое (Великое) взаимодействия. Потом Вселенная стала расширяться, одновременно ее плотность и температура уменьшались. Дальнейшая эволюция Вселенной происходила поэтапно и сопровождалась, с одной стороны, дифференциацией, а с другой — усложнением ее структур.
Первичное вещество, из которого родилась Вселенная, сотрудники Г. А. Гамова — Р. Алфер и Р. Герман — назвали библейским словом элем (греч. ylem — «первичная материя»). Эта первичная субстанция представляла собой нейтронный газ. Ученые считали, что в «первичном аду» родились тяжелые ядра путем присоединения свободных нейтронов, и этот процесс продолжался, пока запас свободных нейтронов не истощился.
В начальной стадии (при t<0,01с) температура очень высока и вещество состоит из нейтронов и протонов в равных пропорциях. Благодаря присутствию электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино происходит непрерывное превращение:
п + е+ ↔ р + v
р + е-↔ п + v+
При охлаждении за первые 10 с число протонов увеличится за счет нейтронов и начнется образование дейтерия, трития, изотопов гелия: Не-3 и Не-4. Через 100с от начала расширения заканчиваются все ядерные превращения: водорода получается 90 %, гелия—9 %, остальное приходится на более тяжелые элементы. По весу водород составляет около 70 %, гелий—30 %. Это и есть химический состав Вселенной к началу формирования звезд и галактик.
Для наглядности эту начальную (дозвездную) стадию делят на четыре эры. Для каждой из них можно выделить преобладающую форму существования материи, в соответствии, с чем и даны названия.
Эра адронов — в самом начале, продолжается 0,0001 с. Плотность d>1017кг/м3, Т>1012К,
t < 0,0001с. При высоких температурах могли существовать частицы только больших масс, для которых существенно и гравитационное взаимодействие. Элементарные частицы разделяются на адроны и лептоны, причем первые могут участвовать в сильных и быстрых взаимодействиях, а вторые — в более слабых и медленных, поэтому первые эры получили такие названия. Адронная эра — эра тяжелых частиц и мезонов, велика энергия γ-квантов. Основную роль играет излучение; количества вещества и антивещества могут быть примерно равными. В конце адронной эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов. Из равновесия с излучением вышли последовательно гипероны, нуклоны, К- и π-мезоны и их античастицы.
Эра лептонов: 0,0001с<t<10с, при этом 1010К<Т<012К; 107 кг/м3<d<1017кг/м3. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами. Постепенно из равновесия с излучением вышли μ-мезоны и их античастицы, электронные и мезонные нейтрино, а избыточные мюоны распались на электроны, электронные антинейтрино и мюонные нейтрино. В конце эры лептонов происходит аннигиляция электронов и позитронов. Спустя 0,2с Вселенная становится прозрачной для электронных нейтрино, и они перестают взаимодействовать с веществом. Согласно теории, эти реликтовые нейтрино сохранились до нашего времени, но их температура ниже 2К, поэтому пока их не могут обнаружить.
Фотонная эра приходит позже и продолжается 1 млн лет. Основная доля массы-энергии Вселенной приходится на фотоны, которые еще взаимодействуют с веществом. В первые 5 мин эры происходили события, во многом определившие устройство нашего мира. В конце лептонной эры происходили взаимные превращения протонов и нейтронов, к началу эры фотонов количества их были примерно равными. При уменьшении температуры протонов стало больше, поскольку реакции с образованием протонов оказывались энергетически более выгодными, значит, более вероятными. Это определило скорости реакций, и к началу следующей эры число нейтронов остановилось на 15 %.
Эра излучения в своем начале характеризуется параметрами: 3000 К<Т<1010 К;
10-18кг/м3<d<107кг/м3, нейтроны захватываются протонами и образуются ядра гелия. За первые минуты некоторое количество нейтронов пошло на образование ядер бериллия и лития, а некоторое количество распалось. В результате доля гелия в веществе могла составить 1/3. В конце эры температура снизилась до 3000К, плотность уменьшилась на 5-6 порядков, в результате чего создались условия для образования первичных атомов. Излучение отделилось от вещества. Вселенная стала прозрачной для вещества, и пришло новое время — время вещества. Излучение играет главную роль, образуется гелий. В конце эры главную роль в образовании вещества Вселенной начинает играть само вещество (масса Вселенной).
При Т≈3000К и плотности d≈10-18кг/м3 начинается сложный процесс образования протозвезд и протогалактик.
Модель «горячего» начала объясняла происхождение химических элементов, их количественные соотношения сейчас, однако образование крупномасштабных скучиваний в пространстве или существование квазаров она не объясняла.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему