Вопрос 8. Большой взрыв и эволюция Вселенной
"Вначале был взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала всё пространство, причём каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы"(С. Вейнберг).
Начальное состояние Вселенной: бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Такая модель "горячей" Вселенной впервые была выдвинута Г.А. Гамовым и впоследствии названа стандартной. Эта модель предполагает, что начальная температура внутри сингулярности (начальное состояние Вселенной) превышала 10 в 13 степени градусов по абсолютной шкале Кельвина, в которой начало шкалы соответствует – 273 градусам шкалы Цельсия. Плотность материи равнялась приблизительно 10 в 93 степени г/см. В подобном состоянии неизбежно должен произойти “большой взрыв”, с которым связывают начало эволюции в стандартной модели Вселенной. Предполагают, что такой взрыв сопровождался сначала быстрым, а потом более умеренным расширением и соответственно охлаждением Вселенной. По степени этого расширения ученые судят о состоянии материи на разных стадиях её эволюции. Предполагается, что через 0,01 секунды после взрыва плотность материи с невообразимо большой величины должна была упасть до 10 в 10 степени г/см. В этих условиях в расширяющейся Вселенной должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов (протонов и нейтронов). При этом могли происходить непрерывные превращения пар электронов + позитрон в фотоны и обратно – фотон в пару электронов + позитрон. Но уже через три минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/3 гелия. Остальные химические элементы образовались из этого дозвездного вещества в результате ядерных реакций. В момент, когда возникли нейтральные атомы водорода и гелия, вещество сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое пространство.
|
|
|
Существует ли экспериментальное подтверждение гипотезы "горячей Вселенной"?
Так в 1965 году было сделано открытие, которое считается подтверждением идеи о том, что в прошлом вещество Вселенной было очень плотным и горячим. Оказалось, что космическое пространство заполнено электромагнитными волнами, являющимися посланцами той древней эпохи развития Вселенной, когда ещё не было никаких звёзд, галактик, туманностей. Это электромагнитное излучение (его температура всего лишь 2,7 К) называется реликтовым. Реликтовое излучение было случайно открыто американским ученым, изучавшим радиопомехи. Существование реликтового излучения было предсказано Г.А. Гамовым, при разработке им теории происхождения химических элементов, возникших в первые минуты после Большого Взрыва. Предсказание существования реликтового излучения и его обнаружение в космическом пространстве – еще один убедительный пример познаваемости мира и его закономерностей.
|
|
|
Реликтовое излучение сохранилось до наших дней и наблюдается как реликт, или остаток, от той весьма отдаленной эпохи образования нейтральных атомов водорода и гелия.
Из чего образовалась Вселенная? Чем было то, из чего она возникла? В Библии утверждается, что Бог создал всё из ничего. Но в классической науке сформулированы законы сохранения материи и энергии, религиозные философы спорили о том, что означает библейское “ничего”, и некоторые в угоду науке полагали, что под ничем имеется ввиду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом.
Но современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что всё могло создаться из ничего. "Ничего" в научной терминологии называется вакуумом.
Вакуум, который физики XIX века считали пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях "рождать" вещественные частицы.
|
|
|
Современная квантовая механика допускает, что вакуум может приходить в "возбужденное состояние”, вследствие чего в нём может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) – вещество.
Рождение Вселенной из "ничего" означает с современной научной точки зрения её самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах. Итак, Вселенная могла образоваться из "ничего", то есть из "возбужденного вакуума". Такая гипотеза, конечно, не является решающим подтверждением существования Бога. Все это могло произойти в соответствии с законами физики естественным путём без вмешательства извне. Эйнштейн сказал: "Раньше полагали, что если из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время". Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно сделать вывод, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.
|
|
|
Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь одним из звеньев в эволюции Вселенной. И всё же исследования, проведенные в XX веке, приоткрыли занавес, закрывающий от нас далёкое прошлое.
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 раскалён, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.
На протяжении десяти миллиардов лет после "большого взрыва" простейшее бесформенное вещество постепенно превращалось в атомы, молекулы, кристаллы, породы, планеты. Рождались звёзды, системы, состоящие из огромного количества элементарных частиц с весьма простой организацией. На некоторых планетах могли возникнуть формы жизни.
Вселенная постоянно расширяется. Тот момент, с которого Вселенная начала расширяться, принято считать её началом. Тогда началась первая полная драматизма эра в истории Вселенной, её называют "большим взрывом" или английским термином Big Bang.
Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда то же самое количество элементарных частиц и фотонов занимает постоянно возрастающий объём. Средняя 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, 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 высокоэнергетических гамма – фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы.
В момент, когда возраст Вселенной исчислялся всего одной десятитысячной секунды, её температура представляла один биллион Кельвинов.
Температура раскаленной плотной материи на начальном этапе Вселенной со временем понижалась, понижалась и энергия фотонов. Это возможно лишь в том случае, если уменьшится их частота v. Понижение энергии фотонов во времени имело для возникновения частиц и античастиц путём материализации важные последствия. Фотон превратился (материализовался) в частицу и античастицу.
Со врменем энергия фотонов понижалась, и как только она упала ниже произведения энергии частицы и античастицы, фотоны уже не способны были обеспечить возникновение частиц и античастиц.
На начальном этапе расширения Вселенной из фотонов рождались частицы и античастицы. Этот процесс постоянно ослабевал, что привело к вымиранию частиц и античастиц. Поскольку аннигиляция может присходить при любой температуре, постоянно осуществляется процесс частица + античастица= 2 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 звёздную.
Адронная эра
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 Т упала на 10 биллионов Кельвинов. 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 К фотоны не обладали уже достаточной энергией для её 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 лёгкие из барионов (протоны и нейтроны).
К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды, температура её понизилась до 10 К, а энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Её не хватало уже для возникновения самых лёгких адронов - пинов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды, 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.
Лептонная эра
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 К, 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.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 212; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!