Модель Большого Взрыва

Модель Большого Взрыва расширяющейся Вселенной

Планеты, звёзды, галактики поражают нас удивительным разнообразием своих свойств, сложностью строения. А как устроена вся Вселенная в целом ?

Её главное свойство - однородность. Она предстаёт перед нами всюду одинаковой - «сплошной». Указывая из соображений максимальной простоты устройства на общую однородность мира, замечательный мыслитель Паскаль (1623-1662) говорил, что мир - это круг, центр которого везде, а окружность нигде. Так с помощью наглядного геометрического образа он утверждал однородность мира.

У Вселенной есть и ещё одно важнейшее свойство. Она находится в движении, расширяется. Расстояние между скоплениями и сверхскоплениями постоянно возрастает. Они как бы разбегаются друг от друга. А сеть ячеистой структуры растягивается.

Во все времена люди предпочитали считать Вселенную вечной и неизменной. Эта точка зрения господствовала вплоть до 20-х годов нашего века. В то время считалось, что она ограничена размерами нашей Галактики. Настоящий переворот в науке о Вселенной произвели в 1922 - 1924 годах работы ленинградского математика и физика А. Фридмана. Опираясь на только что созданную тогда А. Эйнштейном общую теорию относительности, он математически доказал, что мир - это не нечто застывшее и неизменное. Как единое целое он живет своей динамической жизнью, изменяется во времени, расширяясь или сжимаясь по строго определённым законам.

Фридман открыл подвижность звёздной Вселенной. Это было теоретическое предсказание, а выбор между расширением и сжатием нужно сделать на основании астрономических наблюдений. Такие наблюдения в 1928 - 1929 годах удалось проделать Хабблу, известному уже нам исследователю галактик.

Он обнаружил, что далёкие галактики и целые их коллективы движутся, удаляясь от нас во все стороны. Но так и должно выглядеть, в соответствии с предсказаниями Фридмана, общее расширение Вселенной.

Конечно, это не означает, что галактики разбегаются именно от нас. В действительности общее расширение Вселенной происходит так, что все они удаляются друг от друга, и из любого места картина этого разбегания выглядит так, как мы видим её с нашей планеты.

Предполагаемый возраст Вселенной во много раз превышает те временные отрезки, которыми мы оперируем, описывая историю человечества или даже историю нашей планеты. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной, а с точки зрения человека, процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно.

Согласно общепринятой сегодня эволюционной теории Вселенной, началом ее был гигантский, раскаленный и плотный огненный шар. Это было около десяти миллиардов лет назад. Предполагаемый состав этого первичного яйца был весьма прост: огненный шар был настолько раскален, что, вероятнее всего, состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом, хотя, скорее всего, это были не те элементарные частицы, которые современные ученые привыкли наблюдать сегодня.

Какое-то время шар находился в покое, а затем произошел Большой Взрыв, и на протяжении десяти миллиардов лет после этого события, грандиозной вселенской катастрофы, простейшее бесформенное вещество постепенно превращалось в атомы, молекулы, кристаллы, породы, планеты. Рождались звезды, системы, состоящие из огромного количества элементарных частиц с весьма простой организацией, и, вероятно, на некоторых планетах могли возникнуть формы жизни, подобные земным или же радикально отличающиеся от них.

Итак, произошел Взрыв, по-английски Big Bang, и с этой секунды началось расширение Вселенной, продолжающееся до сих пор, а момент, с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом, хотя, возможно, Мировое Яйцо, огненный шар, бесконечно долго пребывал в стабильном состоянии. Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда одно и то же количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий объём, а, следовательно, 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 начале времен (примерно десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была очень большой, ведь в относительно небольшом объеме содержалось все существующее сегодня вещество. 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 фантастически раскаленной 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, а энергия превращалась в вещество.

Подробный анализ показывает, что температура вещества Т понижалась во времени в соответствии с простым соотношением :

T = 1010/  t K .

Зависимость температуры Т от времени t дает нам возможность определить, что например, 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, что и отражается в соотношении. Это значит, что понижалась средняя кинетическая энергия частиц kT . Согласно соотношению hkT понижалась и энергия фотонов. Это возможно лишь в том случае, если уменьшится их частота 

Понижение энергии фотонов во времени имело для возникновения частиц и античастиц путем материализации важные последствия. Для того, чтобы фотон превратился(материализовался) в частицу и античастицу с массой mo и энергией покоя moc ему необходимо обладать энергией 2mocили большей. Эта зависимость выражается так :

h>=2moc

Со временем энергия фотонов понижалась, и как только она упала ниже произведения энергии частицы и античастицы (2moc), фотоны уже не способны были обеспечить возникновение частиц и античастиц с массой mo. Так, например, фотон, обладающий энергией меньшей, чем 2.938 Мэв = 938 Мэв, не способен материализоваться в протон и антипротон, потому что энергия покоя протона равна 938 мэв.

В предыдущем соотношении можно заменить энергию фотонов h кинетической энергией частиц kT ,

kT >= 2 moc

то есть

T >= 2 mock

Знак неравенства означает следующее: частицы и соответствующие им античастицы возникали при материализации в раскаленном веществе до тех пор, пока температура вещества T не упала ниже значения

2 mock

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 происходить при любой температуре, постоянно осуществляется процесс

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.

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 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,