2015-05-30
2111
В последние десятилетия достаточно детально разработана научная концепция происхождения нашей Вселенной. Теория рождения Вселенной, так же как и другие космологические проблемы, разрабатывается на основе последних достижений физики, проверяется точнейшими астрономическими наблюдениями. Теоретической основой концепции рождения Вселенной послужили работы русского ученого А. Фридмана, установившего возможность существования модели расширяющейся Вселенной. Это предсказание экспериментально было подтверждено в 20-е годы ХХ века американским астрономом Э.Хабблом, занимавшегося изучением далеких галактик и установившего, что галактики удаляются друг от друга, а вся Вселенная расширяется.
В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель горячей Вселенной или «Большого взрыва», предложенная американским физиком Д. Гамовым в конце 40-х годов ХХ века. Когда говорят о расширяющейся Вселенной, обычно проводят такую аналогию. Представим галактики в виде отдельных меток на поверхности резинового шара. Если этот шар раздувается, то расстояния между галактиками увеличиваются. Такая двумерная модель с использованием системы координат Лагранжа очень удобна для компьютерных вычислений. Скорость удаления галактик хорошо изучена, значит, определен темп расширения Вселенной. Если он известен, то можно рассчитать, когда примерно началось расширение.
Ретроспективные расчеты, в основе которых лежит модель расширяющейся Вселенной, оценивают время эволюции Вселенной приблизительно в 15 млрд. лет. Теоретические расчеты показывают, что 15 млрд. лет назад Вселенная находилась в состоянии с очень большой плотностью и энергией (сингулярном состоянии). Космическая материя в этот момент была сконцентрирована в необычайно малом объеме 10-33 см3 (близко к радиусу электрона) с гигантской плотностью 1093 г/см3 при температуре 1031 К. Материя была почти однородной, существовали лишь очень маленькие (по амплитуде) флуктуации в этом однородном распределении вещества по пространству. Вселенная в сингулярном состоянии представляла собой микрообъект с очень высокой температурой. Поэтому эту модель называют «горячей».
Предполагается, что от первоначального сингулярного состояния Вселенная спонтанно перешла к расширению в результате «Большого Взрыва», заполнившего все пространство. Первые мгновения жизни Вселенной моделируются гипотезой инфляционной Вселенной. В основе этой гипотезы лежит предположение о том, что наряду с силами гравитационного притяжения существовали гигантские силы космического отталкивания, которые смогли разорвать начальное состояние материи и вызвать расширение, продолжающееся по сей день. Первые догадки о том, что могло послужить причиной начала расширения Вселенной, были высказаны в середине 60-х годов Э.Глиннером. Он предположил, что в начале расширения материя находилась в состоянии физического вакуума.
Физический вакуум ─ это наинизшее энергетическое состояние всех полей, форма материи, лишенная вещества и излучения. Возбужденное состояние такого вакуума способно создать огромное отрицательное давление, гигантскую силу космического отталкивания. Вакуумная материя создает гравитационное отталкивание вместо гравитационного притяжения. Именно гравитационное отталкивание и послужило причиной первотолчка, который вызвал безудержное и стремительное раздувание Вселенной с гигантскими начальными скоростями расширения материи. Раздувание Вселенной осуществлялось по экспоненте. За каждые10-32 с диаметр Вселенной увеличивался в 1050 раз. Подобное чрезвычайно быстрое, или экспоненциально быстрое, расширение получило название инфляции.
Как уже упоминалось, первоначальные размеры Вселенной составляли 10-33 см при плотности 1093 г/см3. Таким образом, полная масса материи, которая тогда существовала, составляла 10-5 ─ 10 -6 г. При расширении Вселенной объем ее становился все больше, а плотность фактически не менялась. Из-за этого масса Вселенной все время возрастала. С новой массой рождалось новое гравитационное тяготение этой массы. Положительная энергия материи компенсировалась рождающейся отрицательной энергией гравитации, поэтому в сумме закон сохранения энергии соблюдался. Вакуумная материя неустойчива. Инфлантон, как называют вакуумную материю, через 10-36 с распался квантовым образом и превратился в горячую плазму - обычную материю. Это и был квантовый процесс рождения нашей горячей Вселенной. За ничтожный промежуток времени от 10-43с (начало инфляции) до 10-36с (конец инфляции) Вселенная раздулась в невероятное число раз: 101000000000 раз. Таким образом, перед началом расширения горячей Вселенной был процесс инфляции, который определил очень многое из того, что существует сегодня во Вселенной.
Стационарное описание Вселенной без учета квантово-гравитационных эффектов возможно лишь при значениях времени t>tp, где tp=10-43c – планковское время. Для описания процессов, происходивших в период от 0 до
10-43с, требуется еще не созданная квантовая теория тяготения.
По современным представлениям, инфляционному периоду предшествовал период квантового существования Вселенной. В этот период эволюции Вселенной пространство и время не могли рассматриваться как непрерывные. Пространство и время распадались на отдельные кванты, и все это находилось в состоянии «кипящего вакуума», причем плотность вакуума была чрезвычайно большой – 1093 г/см3. В этот период «самого начала» пространство (его размерность и топология) менялось причудливейшим образом, квантовым образом. Из-за квантовых флуктуаций в различные моменты времени случайным образом происходит превращение «кипящего вакуума» в отдельные пузыри раздувающихся вселенных. Каждая из них подобна нашей Вселенной, однако разные вселенные могут иметь разные физические свойства и развиваться по-разному. Таким образом, наша Вселенная – один из пузырьков вечной Сверхвселенной.
К моменту времени 10-36 с инфляционная фаза завершается, исчезает отталкивание, Вселенная переходит во власть обычных законов гравитационного притяжения. Благодаря первоначальному импульсу, полученному в период инфляции, расширение Вселенной продолжается, но неуклонно замедляется. По окончании фазы инфляции огромные запасы энергии, сосредоточенные в исходном физическом вакууме, высвободились в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до температуры 1027 К. С этого момента начинается эволюция горячей Вселенной.
Благодаря энергии возникает вещество и антивещество. Затем Вселенная начинает остывать и испытывать последовательные переходы, в результате которых сформировались все ее элементы, наблюдаемые сегодня.
Теория горячей Вселенной подтверждается существованием изотропного фонового реликтового излучения с тепловым спектром, соответствующим температуре 2,7 К. Реликтовое излучение, несущее информацию о первых мгновениях расширения Вселенной, было предсказано Гамовым в 1953 г. Ретроспективные расчеты показывают, что в начале расширения Вселенная находилась в состоянии с исключительно высокими плотностями материи и энергии излучения. По законам термодинамики при высоких плотностях и температурах вещество и излучение должны находиться в равновесии. После процессов нуклеосинтеза излучение должно остаться, продолжить движение вместе с веществом в расширяющейся Вселенной и сохраниться до нашего времени, только температура его должна понизиться за это время из-за расширения. В 1965 г. А. Пензиас и Р. Вильсон открыли реликтовое излучение. В дальнейшем были обнаружены небольшие вариации интенсивности реликтового излучения. Ученые считают, что в этих вариациях заключена информация о процессах рождения Вселенной и о том, что происходило сразу после рождения.
В 2003 г. NASA обнародовало детальную карту распределения в окружающем нас пространстве интенсивности реликтового излучения, полученную с помощью спутника Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (зонд для исследования микроволновой анизотропии). Результаты подтверждают инфляционную модель Вселенной и дают информацию о времени появления первой генерации звезд. По этим данным возраст нашей Вселенной приблизительно 13,7 млрд лет, а самые первые звезды во Вселенной сформировались спустя всего лишь 200 млн лет после Большого взрыва. Результаты свидетельствуют в пользу модели чрезвычайно протяженной «бесконечной» и «плоской» Вселенной, которая состоит из 4% обычного (барионного) вещества, 23% темной материи и 73% темной энергии.
Теория Большого взрыва весьма правдоподобно объясняет другие свойства структуры Вселенной, открытые за последние 15-20 лет с помощью современных методов оптической, рентгеновской, радио- и инфракрасной астрономии. Это следующие свойства:
- расширение Вселенной по закону Хаббла;
- асимметрия между веществом и антивеществом, выраженная
в преобладании вещества в нашей Вселенной;
- однородность и изотропность в распределении светящейся материи в масштабе расстояний порядка 100 Мегапарсек;
- существование галактик и галактических скоплений.
Период между 10-43с и 10-34 с получил название периода Великого объединения. При Т > 1028 К во Вселенной имелось большое количество X и Y – бозонов, массивных частиц, осуществляющих единое сильное и электрослабое взаимодействие. В это время число частиц и античастиц было, вероятно, одинаковым. Вселенная в этот период состояла в основном из кварков. С участием X и Y – бозонов кварки могут превращаться в лептоны (электроны, позитроны, мю-мезоны, нейтрино), обладающие слабым и электромагнитным взаимодействием, и обратно. При Т < 1027 К Х и Y бозоны и их античастицы стали распадаться. В результате распада образовалось больше частиц, чем античастиц. Это привело к тому, что при Т» 1023 К возник избыток барионов над антибарионами. По мере остывания Вселенной вещество и антивещество аннигилировали с образованием гамма-излучения. В результате антивещество практически полностью исчезло, остался избыток вещества, из которого сформировались все небесные тела. В результате расширения Вселенной g-излучение, возникшее при аннигиляции, остыло, образовав реликтовое фоновое излучение, которое составляет значительную часть энергии Вселенной.
Структура нашей Вселенной, когда вещество преобладает над антивеществом, связана со временем жизни протона, которое равно 1031 лет» 1038 с.
Через 0,01 с после Большого взрыва Вселенная имела температуру порядка 100 млрд К. При этой температуре вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц с преобладанием электронов, позитронов, нейтрино, фотонов. Плотность вещества была огромной – в 4 млрд раз больше плотности воды. В конце первых трех минут после взрыва температура Вселенной снизилась до 1 млрд градусов. При этой температуре начали образовываться ядра атомов тяжелого водорода и гелия.
Только по истечении нескольких сотен тысяч лет начали образовываться атомы, главным образом водорода и гелия, образующие водородно-гелиевую плазму. Из этой плазмы в процессе эволюции возникло все многообразие наблюдаемой нами в настоящее время Вселенной.
Каков механизм процесса эволюции Вселенной, сопровождающийся ее непрерывным усложнением? В качестве фактора эволюции Вселенной наука выделяет ее гравитационную неустойчивость, теория которой была создана в ХХ веке Дж. Х. Джинсом. Сущность неустойчивости состоит в том, что по причине всемирного тяготения материя не может быть распределена с постоянной плотностью в сколь угодно большом объеме. Первоначально почти однородная плазма должна была распасться на огромные сгустки, из которых в дальнейшем образовались скопления галактик. Последние по той же причине разбились на протогалактики, из которых естественным путем возникли протозвезды. Образование звезд из диффузной межзвездной материи продолжается и в настоящее время. Вокруг звезд происходило формирование планетных систем. Возможно, кроме гравитационной неустойчивости, действуют и другие фундаментальные причины, приводящие к эволюции материи во Вселенной.
В промежутке между 1010 с и 1020 с расположен оазис жизни, в котором мы сейчас находимся.
Как будет дальше развиваться Вселенная? Теоретическое моделирование будущего Вселенной существенно различно в закрытых и открытых ее моделях.
«Закрытые» модели предполагают, что через 30 млрд лет Вселенная начнет сжиматься и через 50 млрд лет вернется в первоначальное сингулярное состояние. Полный цикл расширения и сжатия Вселенной составляет 100 млрд лет.
Будущее Вселенной в «открытых» моделях представляет собой по сути различные сценарии тепловой смерти Вселенной. В соответствии с этими сценариями через 1014 лет многие звезды остынут, через 1015 лет планеты начнут отрываться от своих звезд, а звезды покидать свои галактики. Через 1019 лет большая часть звезд покинут свои галактики и постепенно превратятся в черные карлики. Центральные области галактик коллапсируются, образуя черные дыры.
Дальнейшая эволюция Вселенной зависит от времени жизни протона. Если обнаружится, что протон нестабилен и через 1032 лет распадается на g-
кванты и нейтрино, то Вселенная будет представлять собой совокупность нейтрино, квантов света и черных дыр. Самые массивные черные дыры испарятся через 1096 лет и через 100100 лет во Вселенной останется электронно-позитронная плазма ничтожной плотности – «лептонная пустыня» при Т £ 10-10 К.
Если протон стабилен, то через 1065 лет любое вещество даже при абсолютном нуле обратится в жидкость. Все оставшиеся черные карлики станут жидкими каплями. Через 101500 лет любое вещество станет радиоактивным, все жидкие капли станут железными. Через огромное число лет железные капли превратятся в черные дыры. Эти черные дыры за 1067 лет испарятся, превратив Вселенную в поток сверхдлинноволновых квантов и электронно-позитронную плазму. Такое состояние представляет собой окончательную «смерть» Вселенной.
Контрольные вопросы для самоподготовки студентов:
1. Основные структурные элементы Вселенной.
2. Свойства Метагалактики.
3. Основные этапы эволюции звезд.
4. Открытые и закрытые модели Вселенной.
5. Теория «Большого взрыва».
Литературные источники:
1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. – М.: ACADEMIA, 2008.
2. Савельев, И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для втузов: в 3-х томах / И.В.Савельев. – СПб.: Спец. лит., 2005.
3. Попков, В.И. Мегамир / В.И.Попков. – Брянск: БГТУ, 2011. – 128 с.
