Теория «Большого взрыва»

Наука, изучающая Вселенную, как единое целое и Метагалактику – как часть Вселенной, называется космологией. Георгий Гамов – американский физик–теоретик предполагает, что наша Вселенная, т.е. Метагалактика, родилась в горячем состоянии с температурой около 10³²К. Эту модель Гамов назвал «Космологией большого взрыва».

Над этой моделью Гамов работал 10 лет. В 1948 году он опубликовал теорию «Большого взрыва». Согласно теории "Большого взрыва", наша Вселенная расширяется. Расширение началось 15 млрд. лет назад из исходного очень горячего состояния. Согласно этой теории, в начальном моменте материя Вселенной находилась в состоянии физического вакуума. Физический вакуум был в неустойчивом, возбужденном состоянии, так как обладал огромной энергией: w= , где г/см³ - плотность материи вакуума, а с – скорость света. Энергия создает огромное давление . В момент времени 10^43 с., из-за огромного давления начинается инфляция вакуума, т.е. вакуум начинает терять энергию. От момента 10^─43 с. до 10^─35 с материя вакуума расширяется экспоненциально и его размер увеличивается в 10⁵⁰ раза. В промежуток времени от 10^─35с до 10^─32с происходит фазовый переход, т. е. «Большой взрыв», в ходе которого вакуумное состояние материи посредством туннельного эффекта превращается в горячую плотную Вселенную с температурой 10³² К, с материей в виде электромагнитных волн (радиоволны, инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма лучей).

Таким образом, наша Вселенная родилась в виде огненного шара, который назывался «Илем» (греч. йлем - первичная материя). Илем представлял собой нейтральный газ из электромагнитных волн и элементарных частиц.

По причине быстрого расширения, материя Вселенной охлаждается и начинается появление частиц из радиации. В начале количество частиц и античастиц было равным. Затем происходит спонтанное нарушение симметрии, это приводит к преобладанию частиц над античастицами. В первые секунды после взрыва рождаются адроны (барионы и мезоны). По истечению времени приблизительно в 1000 с после взрыва температура становится равной примерно 10¹⁰ К и нарушается равенство концентрации протонов и нейтронов по той причине, что время жизни протонов равно 10³¹ лет, а время жизни нейтронов длится около 800 с. Нейтроны распадаются и устанавливаются соотношения: 77% протонов и 22% нейтронов. В промежутке времени от 1000 с до 10000 с происходит образование легких атомов водорода и гелия. На образование ядра гелия уходят почти все нейтроны, и устанавливается следующее соотношение: 77% водорода и 22% гелия.

Интервал времени формирования Вселенной ученые делят на четыре “эры” в соответствии с преобладающей формой существования материи.

1. Эра адронов продолжается 0,0001 секунд. Адронная эра - это эра тяжелых частиц. Плотность частиц равна ρ>10¹⁴ г/см³ , а температура Т>10¹² К. В конце эры происходит внезапное нарушение симметрии, равенство частиц и античастиц. Причиной нарушения симметрии считается не сохранение барионного заряда. В результате, на каждый миллион (10⁶) античастиц приходится миллион плюс одна (10⁶ +1) частица.

2. Эра лептонов. Продолжительность эры от 0,0001с до 10с, температура от 10¹⁰ К до 10¹² К, плотность от 10⁴ до 10¹⁴ г/см³. В эту эру основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами. Происходят взаимные превращения протонов в нейтроны и наоборот. Постепенно накапливаются мю-мезоны, электроны, нейтрино и их античастицы. В конце эры лептонов происходит аннигиляция частиц и античастиц. Таким образом, во Вселенной античастицы исчезают, остаются частицы и излучения. Вселенная становится прозрачной для электронных нейтрино. Эти нейтрино сохранились и до нашего времени.

3. Эра радиации. Еепродолжительность 70 млн. лет, температура уменьшается от 10¹⁰ К до 3000 К, а плотность от 10⁴ до 10^-21 г/см³. К началу эры радиации количество протонов и нейтронов примерно равно. При уменьшении температуры количество протонов становится больше из-за распада нейтронов. В конце эры возникают условия для образования первичных атомов, в результате чего начинается новая эра - эра вещества.

4. Эра вещества. Эта эра наступила через 70 млн. лет после «Большого взрыва» с температурой около 3000К и плотностью порядка 10⁴ г/см³. В начале эры плотность радиации и плотность вещества (частиц) была равной - около 10⁻²⁶ г/см³ , они находились в условиях теплового равновесия. При равновесии эволюционный процесс не происходит, т.е. материя не может усложняться. Однако по мере расширения Вселенной, охлаждения вещества и охлаждения радиации происходят по разным законам. Температура вещества уменьшается обратно пропорционально квадрату размера Вселенной: Т_{вещества}~1/R². Температура радиации уменьшается обратно пропорционально размеру Вселенной: Т_{радиация}~1/R. Следовательно, вещество остывает значительно быстрее. Вселенная от равновесного состояния переходит к неравновесному состоянию. Силы гравитации порождают неустойчивость, а турбулентное движение создает ударные волны. Все это приводит к фрагментации материи Вселенной. Образуются маленькие и большие газовые облака, состоящие из радиации, элементарных частиц, атомов водорода и гелия. В интервале времени, от 3 ч. до 3 миллионов лет, из маленьких облаков образуются звезды, а из больших облаков образуются целые галактики.

Механизм возникновение звёзд американский ученый Трюмплер (1930) первым объяснил тем, что газопылевое облако сжимается и нагревается, давление и температура внутри растут, замедляя сжатие. При 20 миллионов градусов начинается ядерная реакция, происходит взрыв, и возникает новая звезда. Наше Солнце проделало такой путь примерно за 1 млн. лет, около 5 млрд. лет назад.