Материал: Эволюция Вселенной

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 10-33 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 1027 К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории горячего Большого взрыва.[6]

вселенная звезда планета взрыв

Этапы эволюции вселенной

Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно.

Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был настолько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом. Момент, с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом. Тогда началась первая и полная драматизма эра в истории вселенной, ее называют “большим взрывом”.[24]

Эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную и звездную.

Адронная эра. Первая эра называется адронной по имени тяжелых частиц. Состав Вселенной в начале этой эры очень сложный и представлен частицами столь высоких энергий, что экспериментально они еще не обнаружены. Характерной особенностью адронной эры является сосуществование частиц и античастиц, т.е. вещества и антивещества. Частицы и античастицы аннигилируют и возникают вновь, распадаются и рождаются в результате взаимодействий. Аннигиляция пары «частица-античастица» означает превращение их в излучение. Это свет, рентгеновские или гамма-лучи. При громадных энергиях, процессах аннигиляции и рождения частиц, материю в адронную эру можно охарактеризовать как некую адронную плазму, представляющую бесформенную, довольно однородную смесь частиц, античастиц и излучения.[10]

Лептонная эра. Когда энергия частиц и фотонов понизилась 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.[10]

Лептонная эра начинается с распада адронов в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре 1010 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.

Фотонная эра или эра излучения. Во время эры излучения продолжалось стремительное расширение космической материи, состоящей из фотонов, среди которых встречались свободные протоны или электроны и крайне редко - альфа-частицы. В период эры излучения протоны и электроны в основном оставались без изменений, уменьшалась только их скорость. С фотонами дело обстояло намного сложнее. Хотя скорость их осталась прежней, в течение эры излучения гамма-фотоны постепенно превращались в фотоны рентгеновские, ультрафиолетовые и фотоны света. Вещество и фотоны к концу эры остыли уже настолько, что к каждому из протонов мог, присоединится один электрон. При этом происходило излучение одного ультрафиолетового фотона (или же нескольких фотонов света) и, таким образом, возник атом водорода. Это была первая система частиц во Вселенной.[10]

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. Кончается эра излучения и вместе с этим период “большого взрыва”. Так выглядела Вселенная в возрасте примерно 300 000 лет.[10]

“Большой взрыв” продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную нынешнего возраста Вселенной. Все события во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции. 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).

Звездная эра. После “большого взрыва” наступила продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц. Мы называем её звездной эрой. Она продолжается со времени завершения “большого взрыва” до наших дней. По сравнению с периодом “большого взрыва” её развитие представляется как будто слишком замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры.[10]

Вселенная вступает в звездную эру в форме водородного газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он образовывал огромные сгустки, во много миллионов световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик.

Итак, 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. Рассмотрим переход от отдельной эры к другой.

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. [13]

Это была необычайно массивная частица порядка 10-9 г, 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. [37]

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 - 10-10 с, 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 1015 К 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 антибарионов, оставшиеся стали примесью в однородной смеси фотонов и лептонов. Такое состояние было достигнуто через 0,01 с после «начала».[37]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 упала 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 что 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). [37]

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 3 К. 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.[37]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.[37]