ВОЗНИКНОВЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ И ЭТАПЫ ЕЁ ЭВОЛЮЦИИ

По мнению многих специалистов, Вселенная возникла из ничего. Большой взрыв ознаменовал появление пространства, времени и переход из антигравитационного поля в гравитационное поле.

Согласно гипотезе Э.Хаббла о расширяющейся Вселенной, предполагается, что:

- в прошлом плотность вещества Вселенной была больше, чем сейчас,

- скорость её расширения постепенно замедляется. По расчётам современных специалистов, вопрос о скорости расширения Вселенной не так однозначен.

В 1965г. Роберт Пензиас (р.1936) и Арно Вильсон(1914 – 2000) при наладке радиотелескопа обнаружили существование некоего дополнительного радиошума, интенсивность которого не зависела ни от направления антенны, ни от времени суток. По интенсивности он соответствовал тепловому излучению абсолютно чёрного тела при температуре около 3⁰К, что соответствует -270⁰С. Этот радиошум издавала вся Вселенная и, по мнению авторов открытия, он, скорее всего, представляет собой древнее «реликтовое» излучение, оставшееся от времени Большого взрыва. Это подтверждает гипотезу Хаббла

В рамках названной модели появился ряд вопросов:

- Что было во Вселенной тогда, когда в ней не было вещества?

- Почему наш мир состоит из вещества, и в нём нет антивещества?

- Как происходит превращение энергии в материю?

Ответы на эти вопросы ещё не найдены. Однако накопленные результаты экспериментов в ускорителях, математические расчёты и модели позволяют частично ответить на них и, главное, наметить пути дальнейших экспериментов с максимальным приближением к действительности. Принципиальные трудности поиска ответа на эти вопросы современная астрофизика испытывает при попытке проникнуть в тайну «начала мира» в течение 0,01 сек.

Наиболее важным в современной стандартной космологической модели Вселенной является вопрос о свойствах ранней Вселенной. Наиболее удовлетворительное описание её свойств даётся в модели В.де Ситтера. Более поздние промежутки описываются в модели А.А.Фридмана, в описаниях А.И.Васильева, Ю. Э. Пенионжкевича и др.

В моделях В. де Ситтера и А.А.Фридмана рассматривается проблема изменения размеров Вселенной за определённые промежутки времени (изменение пространства-времени). Согласно их расчётам, на начальной стадии развития Вселенной её размеры росли экспоненциально (от лат.exponence-выставлять напоказ). По этой модели при возникновении Вселенной вся энергия мира была заключена в его вакууме. В соответствии с современной концепцией естествознания, вакуум не является пустотой. В физическом вакууме происходят процессы рождения и уничтожения виртуальных частиц. В 1967г. Я.В.Зельдович показал, что в результате их взаимодействия в вакууме появляется некоторая плотность энергии и возникает отрицательное давление. Такое вакуумноподобное состояние неустойчиво и с течением времени оно распадается, превратившись в горячую материю; гравитационное отталкивание сменяется обычной гравитацией, замедляющей расширение. С этого момента Вселенная может развиваться по стандартной космологической модели горячей Вселенной.

Де Ситтеровская стадия расширения продолжалась примерно 10^-35сек. Всё это время вакуум расширялся без изменения своих свойств. Затем произошло радикальное изменение, как законов расширения, так и основных свойств Вселенной. Изменилось её фазовое состояние. При этом переходе вакуума в другое состояние выделилась колоссальная энергия. Примерно за промежуток времени 10^-32 сек Вселенная стремительно раздулась. При этом произошло рождение из вакуума реальных частиц. Причина такого первотолчка(Большого взрыва) пока ещё не совсем ясна и основывается на гипотезе существования кванта единого «простраства-времени». В рамках этой гипотезы А.Эйнштейн предположил, что во Вселенной сосущестствуют силы отталкивания и притяжения. При этом величин а сил отталкивания прямо пропорциональна плотности вещества Вселенной, а скорость её расширения определяется их суммой (А_отт+А_тяг=А.) Поэтому по мере падения плотности материи Вселенной должно замедляться расширение её пространства.

Материально-энергетическое описание ранней Вселенной (Горячая модель) исходит из факта её расширения и объясняет четыре достоверно доказанных явления:

- первоначально Вселенная имела изотропное пространство и излучение,

- рождавшихся кварков было больше, чем антикварков,

- избыток кварков послужил источником более сложных частиц (мезонов, адронов),

- наличие барионной (барионы эл.частицы со спином 1\2 и массой равной или превышающей массу протона) асимметрии - число фотонов к числу барионов соотносится приблизительно как 10⁹.

Таким образом, согласно теории Большого взрыва наша Вселенная развивалась из первоначального состояния, которое можно представить в виде сгустка сверхплотной раскалённой материи. Её плотность была приблизительно равна 10¹⁵ г./см³,температура – 10¹³К. Излучение и вещество находились в ней в тепловом равновесии.

Итак, исходное состояние Вселенной было аналогично абсолютно чёрному телу: плотность больше ядерной и была равна 10¹⁵г/-см³, а температура соответствовала 10¹³К (точнее 1,6*10¹²К). Если температура абсолютно чёрного тела выше массы самого лёгкого из мезонов - пи-мезона, тогда его энергия (Е=mc²) будет равна 140МэВ. этой энергии соответствует температура порядка 1,6*10¹²К. Тело при этом излучает фотоны и адроны. Следовательно, для начального этапа эволюции Вселенной характерны эти показатели плотности материи и температуры.

В настоящее время значения названных показателей иные: плотность составляет 10^-22г/см³, температура-10³К.

Какие же события происходили в течение миллиардов лет между рассмотренными состояниями Вселенной?

Некоторые авторы, в частности Ю.Э.Пенионжкевич, рассматривают эволюцию Вселенной как смену четырёх последовательных эр:

Адронная – началась в возрасте Вселенной 10^-42сек, продолжалась 10^-4сек. К её окончанию плотность материи стала вполне сопоставимой с плотностью ядерного вещества. Ранняя Вселенная состояла из фотонов и кварков, за счёт которых образовывались адроны. Это происходило до тех пор, пока температура не снизилась до 10¹²К. После этого образование адронов прекратилось. Каждая из частиц представляла определённый тип излучения, его энергия составляла более 100МэВ.

Лептонная эра продолжалась около одной секунды. Температура упала до показаний ниже порога образования электрон – позитронной пары (е^-, е⁺) и стала на два порядка ниже – 10¹⁰К и соответствовала энергии менее 100МэВ. Плотность к концу описываемого периода составила 10⁴г/см³. Основные частицы лептоны. Из них самые лёгкие электроны и фотоны. При дальнейшем падении температуры лептоны хотя и существуют как частицы, но не могут спонтанно рождаться.

Итак, важную роль в ранней Вселенной играло излучение. Оно доминировало до того момента, пока температура не упала до показаний – 10¹⁰К. Это состояние наступило, когда Вселенная просуществовала, целую секунду. В ней было уже достаточно много различных частиц: электроны, позитроны, нейтрино, антинейтрино, нейтроны, протоны и фотоны. Могли образовываться различные ядра, начиная с дейтонов и кончая гелием. Более тяжёлые ядра, такие, как ядра углерода, кислорода и т. д., могли синтезироваться лишь в ходе термоядерных реакций в звёздах. Причина этого заключается в том, что есть некоторый интервал неустойчивости лёгких ядер, расположенных около ядра лития, и его не удаётся преодолеть в ходе первичного нуклеосинтеза. Поэтому синтез в раннюю эпоху останавливается на стадии образования гелия.

С этого момента началась радиационная э ра. Она продолжалась до возраста Вселенной 10⁶лет. Её окончание определяется моментом, после которого, фотонное излучение стало существовать отдельно от вещества (адронов и лептонов). Важнейший процесс рассматриваемой эры – нуклеосинтез и фазовый переход Вселенной, когда она перешла из одного состояния вещества в другое. При температуре 10¹⁰К в излучении ещё много фотонов. Они тормозят нуклеосинтез, так как, сталкиваясь с вновь образовавшимися ядрами, способствуют их развалу. Тем не менее, нуклеоситез уже происходит: образуются ядра дейтерия и гелия. При падении температуры до 9*10⁹К нуклеосинтез становится поступательным – во Вселенной плотность ядерной материи сильно возрастает. Это соответствует соотношению нейтронов и протонов N_n\\N_p=0,2 и возрасту Вселенной в три секунды. В ходе первичного синтеза дейтерий, взаимодействуя с нейтроном, образует водород и выделяет фотон. d+n=³H+Y. При взаимодействии дейтерия с протоном образуется тяжёлый гелий ³Hе и фотон. Возможны и реакции между двумя ядрами дейтерия, тогда возникают либо тяжёлый водород, либо тяжёлый гелий и свободные нуклоны. В свою очередь, эти тяжёлые гелий и водород присоединяя любой из нуклонов, могли образовывать ещё более тяжёлые ядра ⁴H, которые, взаимодействуя с ³H, могли образовывать литий или бериллий: ⁴He + ³H=⁷Li+Y, или ⁴He+³H=⁷Be=Y. Так образуются более тяжёлые ядра. Процессы образования ядер прекратились через 35 минут, когда температура Вселенной опустилась до 3*10⁸К. В этих условиях протоны и нейтроны уже не могли соединяться и образовывать более тяжёлые ядра. Плотность вещества становится больше плотности излучения(m>E) и уменьшается по мере расширения Вселенной, размеры которой стремятся к бесконечности. Эпоха излучения переходит в эпоху вещества. Теперь большая часть энергии заключена в атомах. Температурная граница эпох –3000К. При такой температуре химическая энергия связи атомных ядер и электронов достаточно велика, чтобы удержать их вместе в виде нейтральных атомов.При более высокой температуре преобладает излучение, при более низкой – вещество.

Этим состоянием обозначено начало звёздной эры, продолжающейся и в настоящее время. В процессе эволюции Вселенная постоянно обогащается всё более тяжёлыми химическими элементами, возникающими при взрывах сверхновых звёзд. Одной из ступеней такого нуклеосинтеза являлось образование углерода:

⁴He+⁸Be=¹²C+Y.

⁴He+⁴He ---à8Be+⁴He=¹²C+Y.

На каждой стадии слияния ядер, инициируемых взрывами внешней оболочки звёзд, образуются всё более тяжёлые ядра. Эта реакция объясняет наличие довольно большого количества углерода в космическом пространстве, куда он выбрасывается из недр звёзд.

Таким образом, по современным представлениям, первичный нуклеосинтез завершается через несколько минут после Большого взрыва, а формирование атомов – через миллион лет. После этой довольно бурной стадии начальный этап завершается.

Образование звёздных систем различного ранга происходит путём самоорганизации подсистем турбулентного хаоса. В процессе его эволюции возможны различные бифуркации и образования макросистем.

Исследования физиков показывают, что Вселенная, в которой мы живём, вполне приспособлена для нашего существования. Иными словами, её эволюция происходила таким путём, что оказалось возможным появления человека – наблюдателя, способного изучить свойства этой Вселенной. Приведенная мысль составляет сущность антропного космологического принципа. Основные свойства Вселенной объясняются значениями нескольких фундаментальных констант:

- гравитационная постоянная G - количественная характеристика этого универсального взаимодействия,

- скорость света С. - как максимально возможная скорость распространения любых взаимодействий в природе,

- элементарный заряд электрона (е^-) как минимально возможное значение электрического заряда,

- постоянная Планка h определяет минимальное изменение физической величины, называемое действием, и играет фундаментальную роль в физике микромира,

- масса покоя электрона m_e есть характеристика инерционных свойств стабильной легчайшей заряженной элементарной частицы.

Перечисленные фундаментальные постоянные являются едиными для всех участков Вселенной и не меняются во времени, поэтому их называют мировыми постоянными.

Отмечаются также константы и других типов взаимодействия:

- константа сильного взаимодействия→ 1,является количественной характеристикой взаимных превращений с участием мезонов,

- константа слабого взаимодействия→10^-5, она определяет интенсивность превращений элементарных частиц с участием нейтрино и антинейтрино,

- константа гравитационного взаимодействия равна приблизительно 10^-39,

- константа электромагнитного взаимодействия ≈ . Это значит, что электромагнитное взаимодействие в 137 раз слабее сильного. Эта постоянная описывает превращения любых заряженных частиц в античастицы с выделением фотона.

- наконец, есть ещё одна константа (N=3), которая показывает, что все физические события развивались в трёхмерном пространстве. Наконец, структура современной Вселенной жёстко обусловлена разницей в массах нейтрона и протона как бы незначительна она не была (≈0,0013845_а.е.м.). Именно эта незначительная разница, (составляющая 10^-3массы протона) обеспечивает возможность взаимодействия нуклонов и образования атомных ядер.

Таким образом, Вселенная от момента своего возникновения непрестанно изменялась. Её эволюция происходила путём самоорганизации. В ничтожные доли первой секунды её возникновения образовавшееся пространство было заполнено хаотически вращающимися частицами, образовавшими динамический турбулентный хаос. Он оказался той конструктивной средой, где происходило рождение новых элементарных частиц, создались возможности последовательного возникновения всё более упорядоченных структур: ядер, атомов и т.д., вплоть до биосферы Земли и возникновения существа, способного познавать объективные закон ы эволюции Вселенной.

Мыслящее человечество, как и атом, является неотъемлемой частью Вселенной, этапом её эволюции. В этом суждении и состоит главное содержание антропного космологического принципа.