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 10 27 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. Это была необычайно массивная частица, порядка
10 -9 г , что в 10 14 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. 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 c, когда температура
снизилась до 10 15 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 снижений температуры до 10 13 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».
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 это 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). 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 3К. 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.
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.
Дата добавления: 2016-01-16 ; просмотров: 512 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Ранний этап эволюции Вселенной
Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой плазму из элементарных частиц всех видов и их античастиц в состоянии термодинамического равновесия при температуре 10 27 К, 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. Этапы эволюции Вселенной различаются характеристиками взаимодействия элементарных частиц и называются эрами. Самые важные изменения заняли менее трех минут.
В развитии Вселенной принято выделять следующие четыре стадии: адронная эра, лептонная эра, эра излучения и эра вещества. Адронная эрапродолжалась до t = 10 -4 с. При этом р > 10 14 г/см 3 ; Т > 10 12 К. Важной особенностью этой стадии является сосуществование вещества (протонов и нейтронов) с антивеществом (антинейтронами и др.). Причем количество частиц в единице объема было того же порядка, что и фотонов. Основной вклад в гравитацию давали тяжелые частицы — адроны. Они аннигилируют с античастицами, остается лишь небольшой избыток нуклонов, который в дальнейшем и определяет свойства нашего мира, т. е. значения его фундаментальных мировых постоянных. Самое начало (т. е. сингулярность) пока недоступно исследованию, так как при этом все главные параметры Вселенной (плотность, температура и т. п.) обращаются в бесконечность.
Далее (до t = 10 с) шла лептонная эра,на протяжении которой температура уменьшается от 10 12 К до 5 10 9 К. С уменьшением температуры более эффективными становятся процессы соединения протонов с нейтронами и образованием дейтерия 2 Н, трития 3 Н и изотопов 3 Не и 4 Не. Именно в это время и образуется основная часть гелия, содержащегося в звездах и галактиках. На долю гелия приходится около 30%, на долю водорода — около 70%, а на долю остальных химических элементов — менее 1% массы вещества. За счет термоядерных реакций в Галактике может образоваться около 2% гелия по массе. Поэтому основная масса гелия должна была присутствовать в Галактике изначально. По теории горячей Вселенной за первые 100 секунд образуется 25% Не и 75% Н, что подтверждает и современный химический состав Метагалактики.
Эра излученияпродолжалась от 10 с до 10 13 с, или 1 млн лет. При этом 300 К 10 К, 10 -21 4 г/см 3 . Основной вклад в гравитационную массу Вселенной давало излучение. В начале эры закончился синтез гелия и продолжались процессы аннигиляции электронов с позитронами. Все это время температура излучения оставалась одинаковой с температурой вещества. Но как только температура уменьшилась до величины Т = 3000 К, энергия фотонов уже недостаточна для ионизации атомов водорода. Поэтому процессы рекомбинации электронов с протонами уже не уравновешиваются обратными процессами ионизации и происходит «отрыв» излучения от вещества. С этого момента главную роль в расширении Вселенной начинает играть не излучение, а вещество.
Эра веществаначинается с момента рекомбинации и продолжается до сих пор. На ее определенном этапе и начинаются процессы формирования галактик и звезд.
В заключение мы можем констатировать, что гипотеза Большого взрыва позволяет удовлетворительным образом интерпретировать все пять рассмотренных выше экспериментальных фактов. Именно поэтому современные представления о возникновении нашей Метагалактики основаны на изложенной нами модели, хотя многие вопросы все еще остаются открытыми.
Из принципов инфляционной космологии следует, в частности, возможность вечного раздувания пространственно-временной «пены», постоянных флуктуаций физического вакуума. А это, в свою очередь, ведет к идее множественности вселенных и понятию Мегавселенной. В такой Мегавселенной большие вселенные рождают маленькие вселенные, которые, в свою очередь, рождают еще меньшие, и т.д. Каждая из них имеет свои собственные физические законы, характеристики пространства-времени, фундаментальные взаимодействия, элементарные частицы и др. Наша Вселенная — это одна из многих таких вселенных.
Источник
Эволюция Вселенной: от начала до наших времен
Начало начал
Зарождалось все ныне существующее из одной нулевой точки, где была сконцентрирована огромная энергия, показатели которой, такие как, к примеру, температура, давление и плотность, были невероятно высоки. Это состояние, имевшее место около 13 миллиардов лет тому назад, называется «сингулярностью». Но вот в некоторый момент – время Планка — происходит Большой Взрыв, а затем появляется небольшая Вселенная, чьи размеры исчисляются всего в паре микрон.
Физические характеристики только что начавшего свое существование мира были малопригодны для возникновения жизни.
Основные виды взаимодействия – гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное – являлись частью одной силы из-за высокой температуры, вследствие чего ни одна из уже тогда потенциально существовавших, но не материализовавшихся частиц не имела массы как таковой. Все на тот момент симметричное пространство было заполнено абсолютно идеальным газом, созданным из все еще тогда виртуальных частиц.
Впоследствии симметрия нарушается, а гравитация отделяется от других сил взаимодействия. Примерно тогда первые частицы – бозоны – обретают массу, но затем почти сразу распадаются на кварки, нейтрино, электроны, мюоны и т.п.. Появляется ядерное взаимодействие. Вселенная по размеру достигает отметки 10 сантиметров.
Развитие
Электроны и позитроны, как частицы и античастицы, а также бозоны и некоторые другие частицы, как, например, нейтралино, при столкновении друг с другом вызывают процесс аннигиляции, во время которого образуются фотоны. Их количество уже тогда значительно превышает число всех существующих на тот момент кварков. Примерно в то же время все частицы достигают между собой равновесия.
Эволюция Вселенной: краткий обзор
Вселенная продолжает остывать. Ее температура доходит почти до отметки 10*15К, а размеры становятся действительно внушительными — до миллиарда километров. Происходит еще одно нарушение симметрии, и, как следствие, все четыре вида взаимодействия становятся отдельными силами. Термодинамическое равновесие бозонов нарушилось, а те частицы, что раньше не имели своей массы, обрели ее.
Вселенная продолжает расширяться, а ее температура и уровень энергии – падать. Появляются стабильные барионы (нейтроны, протоны), что формируются из кварков и образуют барионную материю, то есть ту, из которой состоим мы и почти все, что нас окружает. Продолжается образование фотонов за счет аннигиляции. На данный момент эти частицы достаточно сильно остыли (до 2.7К) и являются частью микроволнового фона в космосе – реликтового излучения, что было обнаружено учеными относительно недавно – в 1964 году. На этом примерно и заканчивается первая секунда существования Вселенной.
Что такое реликтовое излучение?
Диапазон его частот – от 500 МГц до 500 Ггц. Длина наибольшей волны – 60 сантиметров, а наименьшей – 0,6 миллиметров. Имея такие параметры, реликтовое излучение – оно же микроволновый внегалактический фон – несет в себе огромное количество информации о том, как проходила эволюция Вселенной до того, как начали образовываться галактики и квазары, а также многие другие объекты.
Как показало изучение изотропии, источником излучения не является ни некие точки, ни центр галактик, ни какое-либо место в Солнечной Системе, из чего был сделан вывод, что оно имеет внегалактическое происхождение. Этот факт, к слову, подтвердил гипотезу «горячей Вселенной», что позволяет развивать теорию об эволюции, как она и была принята, далее.
После первой секунды
Плотность частиц значительно снижается, и, как следствие, частота взаимодействий с нейтрино снижается, а термодинамическое равновесие последней с другими становится невозможным. По причинам, выходящим из данного факта, нейтринное реликтовое излучение так и не было обнаружено.
Позитроны и электроны перестают постоянно образовываться. Вселенная становится полностью электрически нейтральной.
Спустя сто секунд после Взрыва начинают появляться первые химические элементы с легкими ядрами (водород, литий, гелий, дейтерий) благодаря слиянию нейтронов и протонов. Лишние частицы распадаются. Так проходит первичный нуклеосинтез.
300 000 лет спустя
Температура падает до 10 000 К. Размеры Вселенной превышают отметку в десятки миллионов световых лет в диаметре. У ядер появляются электронные оболочки, благодаря чему возникают первые легкие атомы, подобные гелию и водороду. Примерно в это же время начинает свою историю такое явление, как реликтовое излучение. Пространство наконец-то стало видимым, не прозрачным, как это было вначале. Гравитация начинает стягивать материю. Все это и многое другое способствует появлению первых звезд, а затем и галактик.
Что дальше?
Есть несколько основных сценариев, по которым будет происходить дальнейшая эволюция Вселенной. Естественно, процесс расширения будет происходить и дальше, поэтому если он будет достаточно равномерен, то энергия рано или поздно будет исчерпана, что, согласно предсказаниям ученых, приведет к тепловой смерти.+
Другой вариант – Большой Разрыв, то есть распад всего, что уже было создано в результате Большого Взрыва. Это произойдет при ускорении расширения Вселенной.
Также есть сценарий, предполагающий так называемое Большое Сжатие, которое произойдет, если расширение замедлится, а затем и вовсе сойдет на нет.
Как именно все произойдет, не знает никто. Есть лишь некоторые догадки, гипотезы и теории, а известным остается только одно: время определенно покажет, как дальше будет развиваться наша Вселенная.
Источник