Большой взрыв и происхождение Вселенной
Происхождение Вселенной остается одной из главных загадок науки. С начала наблюдений за звездным небом человечество пыталось понять, как возникло все, что его окружает, и что там за пределами нашего мира. С развитием технологий ему покорились многие природные явления и даже просторы космоса, но никто так до сих пор и не установил, как зародилась Вселенная. Однако, астрономы выдвинули множество теорий на этот счет, некоторые из них вполне логичны и правдоподобны.
Теория большого взрыва
Основной теорией возникновения Вселенной в ее нынешнем состоянии является теория большого взрыва. Впервые этот термин был применен британским астрономом Ф. Хойлом в 1949 году. При этом сам ученый считал данное предположение о происхождении и эволюции Вселенной ошибочным.
Сами же идеи о расширении Вселенной и ее развитии в результате взрывного процесса возникли в начале 20 века. Способствовал этому Альберт Эйнштейн, опубликовавший свою теорию относительности. Нестационарное решение его гравитационного уравнения натолкнуло советского физика Фридмана на гипотезу о том, что Универсум – постоянно расширяющийся объект. По его версии, вначале она представляла собой очень плотное, однородное вещество. Оно в результате большого взрыва начало распространяться, образуя привычные нам элементы космоса – галактики, туманности, звезды, планеты и другие тела.
Теория происхождения Вселенной по Фридману неоднократно подвергалась дополнениям и улучшениям. В 1948 году астрофизик Георгий Гамов опубликовал работу, в которой описывал первичное вещество до Большого взрыва не только как очень плотное, но и как очень горячее. В нем постоянно происходили реакции термоядерного синтеза, в результате которых образовались ядра легких химических элементов. Выделяемое при этом электромагнитное излучение сохранилось до сих пор, но в остывающем виде. Теория была подтверждена почти через 20 лет после того, как ученым удалось открыть и измерить температуру космического фона. Изучение реликтового излучения также помогла установить возраст мироздания и распределение в нем вещества.
Современное представление о возникновении Вселенной
- Теория Большого взрыва – описывает то, что стало пусковым механизмом расширения первичной материи.
- Инфляционная теория – рассматривает причины расширения вещества.
- Модель расширения Фридмана – описывает процессы распределения материи в пространстве.
- Иерархическая теория – описывает возникновение всех структур космоса.
Хронология событий в теории Большого взрыва
Теория эволюции Вселенной подразумевает, что до Большого взрыва все мироздание находилось в принципиально другом состоянии. А после – проходило стадии развития, благодаря которым заполнилось частицами, химическими элементами и другими структурами. Они же послужили строительным материалом для всех космических тел и объектов. Каждый эпоха развития имеет свою продолжительность от незначительных долей секунды до миллиардов лет. Попробуем изложить теорию происхождения Вселенной кратко и простым языком.
Эпоха сингулярности
Большому взрыву и происхождению Вселенной в современном ее виде предшествовала стадия космологической сингулярности. Это состояние Универсума, при котором вещество имеет почти бесконечные значения плотности и температуры, а само оно стремится к нулю.
Космологическая сингулярность – один из самых трудных вопросов современной науки. Невозможно точно установить, что именно было до Большого взрыва. Но бесконечная плотность раннего вселенского вещества не может сопровождаться его бесконечной температурой. Следовательно, сингулярная Вселенная противоречит современным законам физики.
По некоторым предположениям, эпохи сингулярности вообще не существовало. Еще по предположению группы ученых, в число которых входит С.Хокинг, все сущее могло возникнуть из абсолютного вакуума («ничего») из-за колебаний системы. По другой теории, Большой взрыв привел лишь к образованию Метагалактики, как «пузырька» в плотном веществе Универсума. Есть также гипотеза о том, что вселенные образуются из-за разрывов сингулярности в пределах черных дыр. Доподлинно же установить, что было до Большого взрыва, не представляется возможным.
Планковская эпоха
Итак, в первичном мироздании произошел катастрофический процесс, в результате которого вещество начало стремительно расширяться и охлаждаться. При чем для формирования всех структур космического пространства взрыв должен был произойти повсюду. Это и является точкой отчета возникновения мироздания в его нынешнем виде.
В период от нуля до 10 -43 секунд вещество Универсума имело физические параметры (температура, энергия, плотность) соответствующие постоянным Планка. В таких условиях планковской эпохи произошло рождение частиц.
Эпоха великого объединения
В период с 10 -43 по 10 -35 секунд после Большого взрыва в относительно устойчивой системе возникли силы гравитации. Они впоследствии способствовали возникновению звезд и планет. Первичная материя перестала быть однородно плотной. Но электромагнитное и ядерное взаимодействия в ней были еще объединены, поэтому любые физико-химические параметры для этого вещества не имеют смысла.
Эпоха инфляции
При переходе в эту стадию эволюции Вселенная начала ускоренно расширяться. Это позволило перераспределиться высокоплотному изотропному первичному веществу. Эпоха заняла промежуток времени с 10 -35 по 10 -32 секунды от взрывного процесса.
Электрослабая эпоха
К этому моменту сильное ядерное взаимодействие, как и гравитация, отделено от первичной материи. Период с 10 -32 по 10 -12 секунд – момент рождения таких элементарных частиц, как хиггсовский бозон и W-, Z-частицы. Симметрия до вселенского вещества окончательно разрушена.
Кварковая эпоха
С 10 -12 по 10 -6 секунд все четыре фундаментальные взаимодействия начинают существовать отдельно. Все вещество Универсума представляет собой «кварковый суп» из безмассовых и бесструктурных фундаментальных частиц.
Андронная эпоха
Из фундаментальных частиц начали образовываться андроны – частицы с сильным ядерным взаимодействием. Именно из них образуются нуклоны, формирующее атомные ядра, протоны и нейтроны. Весь процесс андронизации занял порядка ста секунд после Большого взрыва.
Лептонная эпоха
Первые три минуты существования Универсума происходит формирование лептонов, в том числе и их подвида – нейтрино. Это еще одни фундаментальные структуры вселенского вещества, из которых в дальнейшем было построено все в мироздании.
Протонная эпоха
Более 300 тысяч лет ушло на первичный процесс нуклеосинтеза легких химических элементов и перераспределения вещества Универсума. Оно стало доминировать над излучением, что замедлило расширение космического пространства. Конец данной стадии ознаменовался возможностью передвижения тепловых фотонов.
Темные века
Ни одной привычной нам космической структуры в первые 500 млн. лет после возникновения Вселенной не существовало. Она была заполнена водородно-гелиевой массой и реликтовым тепловым излучением, распространяющимся по всему ее пространству.
Реионизация
Постепенно облака водорода и гелия под воздействием гравитации начали сжиматься, в них стали зарождаться процессы термоядерного синтеза. Появились первые звезды. Они стали собираться в скопления, называемые галактиками. В центре формирующихся галактик возникал источник мощнейшего излучения и гравитационного притяжения – квазар. Этот процесс занял более 300 млн. лет.
Эра вещества
Молодые звезды формируют вокруг себя протопланетные диски, из которых впоследствии образовываются целые планетарные системы. В эту эру 4,6 млрд. лет назад возникла и Солнечная система со всеми окружающими ее планетами. Вся же история Вселенной продолжается более 13,7 млрд.лет.
Будущее Вселенной
Теория возникновения Вселенной путем Большого взрыва официально признана в научном мире. Согласно ее основным утверждениям, космическое пространство все еще продолжает эволюционировать и на смену одним структурам приходят абсолютно новые. Существуют две противоположные версии дальнейшего развития событий:
- Большой разрыв. Если Универсум и дальше продолжит расширяться, то в дальнейшем гравитационное взаимодействие между его элементами начнет стремительно ослабевать. Произойдет распад галактик и их скоплений. После этого распадутся отдельные звездные системы, где гравитация звезды не в силах будет удержать планеты вокруг себя. Постепенно все элементы Вселенной разрушаться вновь до элементарных частиц, законы физики перестанут иметь смысл. Что произойдет дальше – предсказать невозможно.
- Большое сжатие. В этом сценарии описывается предположение, что космическое пространство постепенно замедлит свое расширение и начнет обратно сжиматься. Все его элементы образуют единое мега скопление, в котором будет продолжаться процессы рождения, эволюции и смерти галактик. Однако, вещество будет сжиматься и далее, что приведет к образованию одной гигантской галактики. Космическое пространство вновь начнет нагреваться, реликтовое излучение разрушит планеты и звезды. Все структуры перейдут в состояние элементарных частиц. Вселенная приобретет свой первоначальный вид до Большого взрыва.
Любой из основных сценариев смерти Вселенной в нынешнем ее состоянии предполагает распад всех ее структур до фундаментальных частиц и прекращения любых сил взаимодействия. Так ли оно будет на самом деле, предсказать современной науке невозможно.
Основные теории происхождения Вселенной
Большой взрыв не единственное современное представление о происхождении и эволюции Вселенной. Научный мир знает множество теорий возникновения мира, основными из которых являются:
- Теория струн. Ее основное утверждение заключается в том, что все существующее состоит из мельчающих энергетических нитей. Такие квантовые струны могут растягиваться, искривляться и располагаться в любых направлениях, что делает космическое пространство многомерным. И каждое из этих измерений имеет свою эволюционную стадийность.
- Теория стационарной Вселенной. По этой версии, в расширяющемся пространстве космоса постоянно возникает новая материя, что делают всю систему стабильной. Идея была популярна в середине 20-го века, но после открытия и изучения реликтового излучения у нее практически не осталось сторонников.
Не исключено, что все предположения о возникновении мироздания, признанные сейчас в научном мире, не будут опровергнуты в будущем. И чем дальше и дольше человечество исследует космические просторы, тем больше новых ответов и вопросов оно находит.
Источник
Происхождение Вселенной — концепция Большого взрыва
Представление о развитии Вселенной закономерно привело постановке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее конца (смерти). В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причин и процесса рождения самой Вселенной. Из всей совокупности современных космологических теорий только теория Большого взрыва Г. Гамова смогла к настоящему времени удовлетворительно объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты модели Большого взрыва сохранились до сих пор, хотя и были позже дополнены теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейн-хардтом и дополненной советским физиком А.Д. Линде.
В 1948 г. выдающийся американский физик русского происхождения Г. Гамов выдвинул предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном крохотном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью — точечный объем с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. В этом состоянии теряют смысл понятия пространства и времени, поэтому бессмысленно спрашивать, где находилась эта точка. Также современная наука ничего не может сказать о причинах появления такого состояния.
Тем не менее, согласно принципу неопределенности Гейзенберга вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все вещество наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 1061 г, сжать до плотности 1094 г/см3, то оно займет объем около 10-33 см3. Ни в какой электронный микроскоп разглядеть ее было бы невозможно. Долгое время ничего нельзя было сказать о причинах Большого взрыва и переходе Вселенной к расширению. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе инфляционной модели развития Вселенной.
5. «Начало» Вселенной
Основная идея концепции Большого взрыва состоит в том, что Вселенная на ранних стадиях возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с большой плотностью энергии. Эта энергия возникла из квантового излучения, т.е. как бы из ничего. Дело в том, что в физическом вакууме отсутствуют фиксируемые частицы, поля и волны, но это не безжизненная пустота. В вакууме имеются виртуальные частицы, которые рождаются, имеют мимолетное бытие и тут же исчезают. Поэтому вакуум «кипит» виртуальными частицами и насыщен сложными взаимодействиями между ними. Причем, энергия, заключенная в вакууме, располагается как бы на его разных этажах, т.е. имеется феномен разностей энергетических уровней вакуума.
Пока вакуум находится в равновесном состоянии, в нем существуют лишь виртуальные (призрачные) частицы, которые занимают в долг у вакуума энергию на короткий промежуток времени, чтобы родиться, и быстро возвращают позаимствованную энергию, чтобы исчезнуть. Когда же вакуум по какой-либо причине в некоторой исходной точке (сингулярности) возбудился и вышел из состояния равновесия, то виртуальные частицы стали захватывать энергию без отдачи и превращались в реальные частицы. В конце концов в определенной точке пространства образовалось огромное множество реальных частиц вместе со связанной ими энергией. Когда же возбужденный вакуум разрушился, то высвободилась гигантская энергия излучения, а суперсила сжала частицы в сверхплотную материю. 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, отрицательные давления, равносильные гравитационному отталкиванию такой величины, что оно вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной — Большой взрыв. Это и было первотолчком, «началом» нашего мира.
С этого момента начинается стремительное расширение Вселенной, возникают время и пространство. В это время идет безудержное раздувание «пузырей пространства», зародышей одной или нескольких вселенных, которые могут отличаться друг от друга своими фундаментальными константами и законами. Один из них стал зародышем нашей Метагалактики.
По разным оценкам, период «раздувания», идущий по экспоненте, занимает невообразимо малый промежуток времени — до 10-33 с после «начала». Он называется инфляционным периодом. За это время размеры Вселенной увеличились в 1050 раз, от миллиардной доли размера протона до размеров спичечного коробка.
К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно «горячей». Этот всплеск тепла, осветивший космос, обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Такое состояние вакуума очень неустойчиво и стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, заканчивается и инфляция. А энергия, связанная в виде множества реальных частиц, высвободилась в виде излучения, мгновенно нагревшего Вселенную до 1027 К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории «горячего» Большого взрыва.
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 1027 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.
Адронная эра продолжалась 10-7 с. На этом этапе температура понижается до 1013 К. При этом появляются все четыре фундаментальных взаимодействия, прекращается свободное существование кварков, они сливаются в адроны, важнейшими среди которых являются протоны и нейтроны. Наиболее значимым событием стало глобальное нарушение симметрии, которое произошло в первые мгновения существования нашей Вселенной. Число частиц оказалось чуть больше, чем число античастиц. Причины такой асимметрии точно неизвестны до сих пор. В общем плазмоподобном сгустке на каждый миллиард пар частиц и античастиц на одну частицу оказывалось больше, ей не хватало пары для аннигиляции. Это и определило дальнейшее появление вещественной Вселенной с галактиками, звездами, планетами и разумными существами на некоторых из них.
Лептонная эра продолжалась до 1 с после начала. Температура Вселенной понизилась до 1010 К. Главными ее элементами были лептоны, которые участвовали во взаимных превращениях протонов и нейтронов. В конце этой эры вещество стало прозрачным для нейтрино, они перестали взаимодействовать с веществом и с тех пор дожили до наших дней.
Эра излучения (фотонная эра) продолжалась 1 млн. лет. За это время температура Вселенной снизилась с 10 млрд. К до 3000 К. На протяжении данного этапа происходили важнейшие для дальнейшей эволюции Вселенной процессы первичного нуклеосинтеза — соединение протонов и нейтронов (их было примерно в 8 раз меньше, чем протонов) в атомные ядра. К концу этого процесса вещество Вселенной состояло на 75% из протонов (ядер водорода), около 25% составляли ядра гелия, сотые доли процента пришлись на дейтерий, литий и другие легкие элементы, после чего Вселенная стала прозрачной для фотонов, так как излучение отделилось от вещества и образовало то, что в нашу эпоху называется реликтовым излучением.
Затем почти 500 тысяч лет не происходило никаких качественных изменений — шло медленное остывание и расширение Вселенной. Вселенная, оставаясь однородной, становилась все более разреженной. Когда она остыла до 3000 К, ядра атомов водорода и гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться при этом в нейтральные атомы водорода и гелия. В итоге образовалась однородная Вселенная, представлявшая собой смесь трех почти не взаимодействующих субстанций: барионного вещества (водород, гелий и их изотопы), лептонов (нейтрино и антинейтрино) и излучения (фотоны). К этому времени уже не было высоких температур и больших давлений. Казалось, в перспективе Вселенную ждет дальнейшее расширение и остывание, образование «лептонной пустыни» — что-то вроде тепловой смерти. Но этого не случилось; напротив, произошел скачок, создавший современную структурную Вселенную, который, по современным оценкам, занял от 1 до 3 миллиардов лет.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник