Как рождалась Вселенная?
Ученые считают, что Вселенная существовала не всегда. На самом деле у нее было начало. Теория Большого взрыва — это попытка объяснить, что же произошло в тот момент, до которого ничего не было.
«Ничего» в предыдущем предложении фактически означает следующее: до возникновения Вселенной не было ни пространства, ни времени… Вообще ничего. Почему наша Вселенная вдруг возникла из этого небытия, неизвестно. И это приводит к мыслям о том, было ли это событие вообще случайным. Большой взрыв — это то место, где наука встречается с религией.
Хотите верьте, хотите нет, но большинство самых важных событий произошло до того, как Вселенная имела возраст в одну секунду.
Планковская эпоха
Примерно 13,7 миллиарда лет назад наша Вселенная вдруг возникла. Внезапно. Из ничего. Считается, что изначально это была бесконечно горячая и бесконечно плотная точка.
Считается также, что четыре фундаментальные силы Вселенной (гравитация, электромагнитная сила, слабая ядерная сила и сильная ядерная сила) были объединены в это время в одну универсальную силу.
Эта «эпоха» длилась всего одну единицу времени Планка. Это наименьшая возможная единица времени. Она равна одной тысячной миллионной миллионной миллионной миллионной миллионной миллионной доле секунды. В конце этого отрезка времени Вселенная имела одну длину Планка в поперечнике. И содержала все ингредиенты, необходимые для создания Вселенной такой, какая она есть сегодня.
Эпоха Великого Объединения
Наверное немного неправильно называть подобные периоды «эпохами». Так как например эта длилась всего одну шестую секунды. Но в течение этого крохотного отрезка времени во все еще микроскопической Вселенной произошло одно очень важное событие. Сила тяжести отделилась от трех других фундаментальных сил.
Имеющая изначально невероятную температуру Вселенная начала остывать. И это способствовало появлению элементарных частиц и античастиц.
Кроме того, в конце этой короткой эпохи сильная ядерная сила также отделилась от остальных. И это предвещало начало следующей эпохи.
Инфляционная эпоха
Продолжительность этой эпохи доподлинно не установлена. Но многие считают, что ее длительность равнялась одной тринадцатой секунды. Отделение силы сильного взаимодействия привело к расширению микроскопической Вселенной в 100 миллионов миллионов миллионов раз! Хотите верьте, хотите нет, но после этого ее ширина составляла уже около 10 сантиметров! После этого она начала расширяться со скоростью, превышающей скорость света. Это событие ни в коем случае не нарушает правила, установленные Эйнштейном. Поскольку расширялось в данном случае само пространство.
Электрослабая эпоха
Этот период начался одновременно с инфляционной эпохой. Но длился почти полсекунды. К этому времени Вселенная охладилась до 10 000 миллионов миллионов миллионов градусов Кельвина, что позволило появиться так называемым «экзотическим» частицам. Появляются гипотетические W и Z бозоны, функция которых, как считается, заключается в управлении слабой ядерной силой. Также в это время в игру вступает поле Хиггса. Это теоретическая энергетическая сила, которая придала массу этим бозонам. Это событие превратило Вселенную, полностью состоящую из излучения, в такую, которая может иметь материю — звезды и галактики будущего.
Кварковая эпоха
Эта эпоха длилась около одной седьмой секунды. И к этому времени Вселенная охладилась до 10 миллионов миллионов миллионов градусов. Образовалось большое количество кварков, электронов и нейтрино, каждая из этих частиц имела соответствующую античастицу. Несмотря действие поля Хиггса, придающего массу определенным частицам, созданию материи препятствовал тот факт, что частицы и античастицы уничтожают друг друга при контакте. Но все же, что очевидно, материя была создана. Ведь мы ее наблюдаем. Считается, что по какой-то таинственной и неизвестной причине в это время было создано немного больше барионов, чем антибарионов. Избыток был небольшим. Не более трех частиц на миллион. Но этого оказалось достаточно.
Адронная эпоха
Удивительно, но мы еще не достигли и одной секунды после Большого взрыва! Эта веха была достигнута именно в эту эпоху. Она имела продолжительность, аналогичную предыдущей. К этому времени температура Вселенной опустилась примерно до одного триллиона градусов. И это позволило кваркам объединяться в адроны. Это собирательное название для таких частиц, как протоны. Свободные электроны сталкивались с ними и образовали нейтроны. К этому времени Вселенная расширилась до одного миллиарда километров в поперечнике.
Лептонная эпоха
Все начинает потихоньку успокаиваться. Эта эпоха длится целых три минуты! Чем холоднее становится Вселенная, тем труднее происходит процесс появления элементарных частиц. К этому времени все адроны и антиадроны из предыдущей эпохи уничтожили друг друга. Во Вселенной стало много лептонов (электронов и позитронов). Эти частицы начали сталкиваться и уничтожать друг друга. В результате чего высвободилась энергия в виде фотонов света.
Нуклеосинтез
В течение следующих 17 минут температура упала до одного миллиарда градусов. В таких условиях возможен ядерный синтез. Протоны и нейтроны стали объединяться, образуя ядра простых элементов, таких как водород, гелий и литий. Эта эпоха закончилась, когда температура упала до такой степени, что ядерный синтез перестал быть возможным.
Фотонная эпоха
А вот эта эпоха длилась около 240 000 лет! В этом большом промежутке времени Вселенная сильно остыла. К этому времени она состояла из плазмы, состоящей из атомных ядер, сформировавшихся в период нуклеосинтеза, и свободных электронов. Хотя доминирующей энергией в эти времена обладали фотоны, они все еще были связаны с этими другими элементарными частицами, непрерывно взаимодействуя с ними.
Рекомбинация
Этот период длится около 60000 лет. К этому моменту Вселенная остыла до 3000 градусов. Атомные ядра начали объединяться со свободными электронами, образуя такие элементы как водород, гелий и литий. Это действие нейтрализовало электрический заряд электронов. И они освободили фотоны света. Эти частицы были обнаружены земными учеными в форме космического фонового излучения. К этому времени Вселенная состоит на три четверти из атомов водорода и на четверть из гелия. И еще здесь есть немного лития.
Темная эра
В течение следующих 150 миллионов лет Вселенная находилась в «темном» состоянии. Хотя фотоны существуют, они обнаруживаются только как излучение, а не как свет. В этот период ничего особенного не происходит. Кроме постоянного расширения и охлаждения. В этот период во Вселенной, похоже, доминирует таинственная «темная материя».
Реионизация
Но примерно через 150 миллионов лет после Большого взрыва что-то начинает происходить. Гравитационный коллапс приводит к образованию квазаров. Это событие, в свою очередь, реионизирует окружающую Вселенную. Этот период длится примерно один миллиард лет. И это создает условия для формирования звезд и галактик.
Звездная эра
Примерно через 300 миллионов лет после Большого взрыва условия стали благоприятными для появления первых звезд. Плазменный суп, пронизывающий Вселенную, имел небольшие неравномерности в своей плотности. Поэтому гравитация сделала свое дело, сжимая облака космического газа. По мере того, как они становились все более и более плотными, где-то появилась точка, в которой стал возможным ядерный синтез. Появились самые первые звезды, красные гиганты. Они известны нам как звезды «Населения III». Они полностью состояли из легких элементов. Жили они немного. И заканчивали свое существование сверхновыми, создавая и распространяя более тяжелые элементы по всей Вселенной. Присутствие этих элементов, таких как углерод, азот, кислород, кремний, магний и железо, прокладывало путь к рождению большего количества звезд следующих поколений. По мере того, как все больше и больше рождалось подобных звезд, они начали объединяться в галактики. И примерно через 500 миллионов лет после Большого взрыва Вселенная, наконец, появилась в видимом диапазоне.
Источник
Физики считают, что именно это и произошло в первые три минуты существования Вселенной
Около 13,8 миллиарда лет назад произошло нечто загадочное, получившее название «Большой взрыв». Произошло массовое расширение, которое взорвало возможную сингулярность, как воздушный шар, в конечном итоге породив нашу Вселенную. Поскольку каждому семени нужно определенное время, чтобы превратиться в полноценное растение, на создание Вселенной в том виде, в каком мы ее знаем сегодня, потребовалось чуть больше семи дней. Но именно в первые 3 минуты происходило больше всего главных событий. Итак, вот что, по мнению физиков, произошло в первые 3 минуты после Большого взрыва!
Планковская эпоха
Вскоре после Большого взрыва первым возникшим периодом была эпоха Планка. В этот конкретный период времени температура Вселенной была 10 32 К, настолько высока, что все четыре фундаментальные силы (гравитационная сила, электромагнитная сила, слабая сила и сильная сила) природы существовали вместе как одна суперсила. Эта эпоха длилась 10 -43 секунды. Поскольку в масштабе Планка современные физические теории не могут быть применены для расчета того, что произошло, о физике эпохи Планка известно очень мало.
Эпоха Великого объединения
Эпоха ТВО или «Великой объединенной теории» началась, когда Вселенной было всего 10 -43 секунды, и продолжалась до 10 -36 секунд после Большого взрыва. После эпохи Планка фундаментальная сила гравитации отделилась от трех других фундаментальных сил стандартной модели. Итак, электрослабое взаимодействие, сильное взаимодействие и электромагнитное взаимодействие были единым целым в эпоху ТВО. Более того, к концу этой эпохи температура упала до 10 29 K с 10 32 K.
Инфляционная и электромагнитная эпоха
Электрослабая эпоха стала третьей по счету после Большого Взрыва. В эту эпоху сильная сила отделилась от двух других сил, таким образом оставив позади слабую и электромагнитную силу как единую силу. Более того, космическая инфляция началась, когда Вселенной было всего 10 -33 секунды. Во время инфляции Вселенная расширялась в геометрической прогрессии и выросла от размера протона до размера, эквивалентного кулаку. Во время инфляции вселенная расширялась со скоростью, превышающей скорость света, однако точная физика этого интенсивно ускорившегося расширения до сих пор не ясна.
Космическая инфляция закончилась очень скоро, и позже Вселенная начала нормально расширяться. Сейчас Вселенной 10 -32 секунды, температура упала до 100 триллионов триллионов кельвинов и, что самое важное, также сформировались W и Z бозоны.
Кварковая эпоха
Электрослабая эпоха закончилась через 10 -12 секунд после Большого взрыва, а затем началась эпоха кварков. К тому времени Вселенная достаточно остыла, чтобы поле Хиггса имело положительное значение. Это привело к тому, что электромагнитная сила и слабая сила отделились друг от друга. Итак, теперь все четыре фундаментальные силы обрели свою индивидуальную идентичность. Все доступные частицы могут взаимодействовать с полем Хиггса и могут набирать массу. Однако температура все еще очень высока для того, чтобы кварки слились и образовали адроны, такие как протоны и нейтроны. В стандартной модели физики кварки являются одним из самых крошечных объектов.
Адронная эра
Адроны — это класс частиц, состоящих из двух или более кварков. Вскоре после того, как эпоха кварков закончилась, эра адронов началась через 1 микросекунду после Большого взрыва. К этому времени температура упала до такой степени, что кварки предыдущей эры могли объединиться в адроны. Хотя небольшая асимметрия вещества и антивещества на более ранних этапах привела к устранению антиадронов, все же большинство пар адрон/антиадрон уничтожили друг друга.
Так что к концу этого периода в основном остались только легкие стабильные адроны: протоны и нейтроны. Эпоха адронов закончилась через 1 секунду после Большого взрыва.
Лептонная эпоха
Когда Вселенная постарела на одну секунду, ее температура стала достаточно благоприятной для образования другого класса элементарных частиц — лептонов. Лептоны — это своего рода элементарные частицы в природе, и поэтому они больше не состоят из каких-либо составляющих частиц, таких как адроны. Электрон — классический пример лептона. Таким образом, к этому времени начали формироваться лептоны и антилептоны, и это производство продолжалось 10 секунд. Лептоны и антилептоны оставались в тепловом равновесии, поскольку энергия фотонов все еще была достаточно высокой для образования электрон-позитронных пар. Однако Вселенная все еще оставалась непрозрачной, поскольку эти свободные электроны могли легко рассеивать фотоны.
Начало нуклеосинтеза
К настоящему времени Вселенная содержит протоны, нейтроны, электроны и фотоны. Фотоны превосходили массивные частицы в миллиарды раз. Все четыре основные силы приобрели свою современную форму. Теперь настало время для начала самого важного процесса нуклеосинтеза.
Проще говоря, нуклеосинтез — это процесс, в котором новые атомные ядра образуются из ранее существовавших нуклонов и меньших ядер. Это процесс, посредством которого образуется большинство более тяжелых элементов в нашей Вселенной.
Так что теперь, в возрасте 2 минут, температура Вселенной упала ниже 1,2 миллиарда градусов Кельвина. При этой температуре средняя энергия фотона составляла 1,8 х 10 -14 Дж, что было эквивалентно энергии связи ядер дейтерия. Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона, удерживаемых вместе сильным ядерным взаимодействием. Итак, через две минуты после Большого взрыва дейтерий образовался в результате слияния протонов и нейтронов. Это произошло впервые после Большого Взрыва, когда Вселенная содержала ядра более сложные, чем один протон.
Наконец, через 3 минуты после Большого взрыва температура Вселенной упала ниже 1 миллиарда градусов Кельвина. При этой температуре средняя энергия фотонов составляла 1,5 х 10 -14 джоулей, что эквивалентно энергии связи ядер гелия. Итак, в возрасте 3 минут дейтерий, протоны и нейтроны объединились с помощью различных возможных процессов, чтобы сформировать ядра гелия.
В двух словах, в первые три минуты после Большого Взрыва протоны и нейтроны начали сливаться вместе, образуя дейтерий, а атомы дейтерия затем соединились друг с другом, образуя гелий-4. За этими тремя минутами последовал ряд различных эпох и разносторонних процессов нуклеосинтеза, которые сформировали вселенную, в которой мы живем сегодня. Но первые три минуты сформировали период, который дал нам самые фундаментальные элементы нашего существования, т.е. водород и гелий, и подготовить почву для продвинутых процессов. Это, несомненно, делает первые три минуты после большого взрыва самыми важными минутами в истории эволюции нашей Вселенной.
Источник