Большой взрыв. Последовательность событий и результат

Создание теории. В настоящее время наиболее адекватной является теория Большого взрыва, или теория горячей Вселенной. В ней, как и в более ранних теориях, пока нет ответа на вопросы: «Почему возникла Вселенная?», «Зачем она была создана?». Но зато вопросы «Когда?» и «Как дело было?» разработаны обоснованно и достаточно подробно. Мы кратко изложим основные фрагменты этой теории, опираясь на книги [5, 24, 32, 38]. Это очень интересные книги.

В 1916 году Альберт Эйнштейн в рамках созданной им общей теории относительности дал первую научную картину устройства Вселенной. Основу картины составляло представЭволюция мира ление о том, что пространство и время, во-первых, активно влияют на все, что происходит во Вселенной, а во-вторых, что они сами изменяются под воздействием событий, происходящих во Вселенной. Это была очень революционная идея. До Эйнштейна пространство и время считались абсолютно пассивными формами существования материи. Сама Вселенная в теории Эйнштейна предполагалась стационарной, то есть существующей вечно. Он полагал:

  • • во всем пространстве существует некоторая средняя плотность материи, которая отлична от нуля и в большом масштабе всюду одна и та же;
  • • размеры («радиус») пространства не зависят от времени.

Однако совместная математическая модель этих двух предположений потребовала введения в уравнения некоторого параметра в виде «космологической постоянной», не имеющей никакого естественного обоснования. Эту постоянную Эйнштейн ввел, опираясь только на свою веру в стационарность Вселенной и доверяя математике как языку науки. Но в 1923 году ленинградский геофизик и математик Александр Александрович Фридман показал, что более естественно и красиво выглядят решения тех же уравнений, освобожденных от «космологической виртуальности». В решениях Фридмана «радиус мира» зависит от времени. Иными словами, теория требовала расширения или сжатия Вселенной. Эйнштейн писал: «Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет. Оказывается, что уравнения поля допускают наряду со статическими также и динамические (т.е. переменные относительно времени) центрально-симметричные решения для структуры пространства». Этот вывод теории в первые годы для многих представлялся очень странным, для некоторых - просто абсурдом.

В 1928 году Эдвин Хаббл, исследуя свечение внегалактических туманностей с помощью спектральной аппаратуры, обнаружил «красное смещение спектральных линий», которое было тем больше, чем дальше от нас туманность. Такое смещение возникает, если источник света удаляется от наблюдателя с заметной скоростью (эффект Допплера). Физически такой наблюдаемый факт означал всестороннее расширение системы звезд, или разбегание галактик. Тем самым было экспериментально подтверждено, что решения Фридмана - не каприз ума ученого, а реальность. Радиус Вселенной непрерывно увеличивается. Но если это так, то логично предположить, что когда-то Вселенная была очень маленькой, и тогда у неё должна быть «дата рождения». Она же - дата рождения пространства и времени, ибо, как писал Эйнштейн, «никакой пространственно-временной континуум не может существовать без порождающей его материи». По измерениям Хаббла начало расширения было всего лишь 109 лет тому назад. В дальнейшем более точные эксперименты дали для возраста Вселенной величину 13,7-109лет.

В первой половине 20-го столетия физики, астрономы, астрофизики путем обобщения экспериментальных данных по спектрам светового (электромагнитного) излучения небесных объектов установили, что химический состав вещественной части материи во всей Метагалактике (наблюдаемой Вселенной) идентичен. Везде одни и те же химические элементы, известные землянам по таблице Менделеева. «Вселенское» единство вещества означало, что оно либо имеет один и тот же «источник», либо возникает всюду по одним и тем же законам. В 1948 году Георгий Антонович Гамов (Дж. Гамов, гражданин США с 1934 г.) вместе с Гансом Бете и Ральфом Альфером опубликовал работу, в которой была построена непротиворечивая картина «горячей Вселенной», возникшей в результате Большого взрыва. Анализируя созданную физико-математическую модель, Гамов пришел к выводу, что фотоны, излученные в пространство на одной из ранних стадий развития Вселенной, должны «быть живы» до сих пор, хотя это реликтовое излучение порядком остыло («состарилось»). В 1965 году это излучение было обнаружено экспериментально. Его экспериментально измеренная температура оказалась около 2,7 К. Возраст излучения близок к 1О10 лет, то есть к тем же значениям, что были получены из анализа красного смещения в линиях излучения разбегающихся во все

Эволюция мира стороны галактик. Это означало, что модель Гамова вполне правдоподобна.

Наблюдаемые факты: однородность химического состава Вселенной, наличие непрерывного расширения и наличие реликтового излучения вместе составили естественное обос-нование горячей модели Большого взрыва, модели рождения нашего мира. В этой модели принято, что от рождения до наших дней эволюция Вселенной описывается теорией Фридмана. Все-таки это здорово: развитие мира дошло до того, что люди, как высшее достижение эволюции, смогли воссоздать картину, которую они не видели и никогда не увидят.

В теории Большого взрыва и его последствий расширение Вселенной сопровождается охлаждением вещества и излучения. Температура падает обратно пропорционально размерам Вселенной. Как известно из физики, температура есть мера средней энергии движения частиц (их скорости). Если корпускулы двигаются очень быстро, то они имеют возможность «не обращать внимания» на силы притяжения между ними. Можно провести такой опыт: закрепив на стойке магнит, ронять мимо него железный шарик. Если шарик падает с большой высоты и его скорость велика, то он пролетает мимо магнита, практически не отклоняясь от вертикали. И шарик, и магнит останутся сами по себе, без изменений. Если же отпустить шарик совсем рядом с магнитом, то он прилипнет к магниту, и в результате возникнет новая покоящаяся система «магнит плюс шарик». Если же вместо шарика взять капельку магнитной жидкости, химически активной по отношению к материалу магнита, то в результате опыта при малых скоростях пролета мы получим вообще качественно новую систему, в которой ни магнита, ни капельки уже не будет. Очень похожие процессы происходили и при остывании Вселенной. При охлаждении системы частиц силы притяжения вызывали слияние частиц и их превращение в новые системы. Это означает, что не только энергии частиц, но и сам тип частиц будут зависеть от температуры и, тем самым, от возраста Вселенной. Иными словами, с увеличением возраста должен изменяться уровень организации материи. Чем ниже температура, тем вероятнее появление все более сложных образований и, соответственно, все более сложных «жизненных» процессов в таких системах. Вплоть до появления жизни без кавычек.

Основные положения теории. На старте размеры Вселенной были близкими к нулю, а плотность материи, кривизна пространства и температура - огромными, быть может, даже бесконечными, как в математических моделях. Такие системы называются сингулярностями, для их описания создан специальный математический аппарат. Мы пока не знаем, почему взорвалась исходная сингулярность, и зачем это произошло. Но это произошло. Любопытен факт: христианская церковь полагает, что эволюцию Вселенной после Большого взрыва изучать можно и даже нужно, греха в этом нет. Но не следует стремиться понять его причины и цели, ибо это есть деяние Создателя. Таким образом, церковь согласилась отодвинуть момент творения чуть больше чем на 13 миллиардов лет назад. А мы упорно стремимся понять цели и причины, поскольку достоверно знаем, что после старта все происходило без участия Создателя, в соответствии с законами, составляющими основу естествознания.

Старт был впечатляющим. За сверхмалую долю нашей секунды радиус Вселенной увеличился в 1О30 раз. В теории этот этап носит название «раздувания», или «инфляции», - физики не смогли придумать более точного названия для процесса, происходящего за доли секунды с все возрастающей скоростью. Это не было движением материи в пространстве, скорее его можно назвать раздуванием самого пространства в процессе своего рождения. Но именно в результате инфляции (раздувания) возникли те сущности, которые мы ныне называем пространством и временем, мировыми постоянными типа скорости света или гравитационной постоянной, законами Природы, веществом, излучением. Возникли и фундаментальные взаимодействия - ядерное (сильное), электромагнитное, гравитационное и, возможно, слабое. Через доли секунды скорость расширения упала. К этому моменту температура

Эволюция мира всюду стала одинаковой - очень большой, но уже не бесконечной. В результате раздувания во Вселенной возникло очень много вещества, что около 1О80 частиц. Рождалось вещество из энергии в виде пар «частица - античастица». Но где взять столько энергии? Закон сохранения энергии к этому времени уже возник и действовал абсолютно точно и безапелляционно. Дело в том, что полная энергия Вселенной, скорее всего, равна нулю. Просто энергия вещества - она положительна, а энергия гравитационного притяжения - отрицательна, и по модулю они равны друг другу. Чем больше вещества, тем больше у него положительной энергии, и во столько же раз больше отрицательной энергии гравитации, которая, как известно, линейно возрастает с увеличением размеров. Вспомните, как возрастает потенциальная энергия тела в поле тяжести Земли. Чем выше (то есть дальше), тем больше. И знак её - минус, потому что для того, чтобы поднять тело над поверхностью Земли, мы должны совершить работу. Так что фаза раздувания стартовала с нулевой энергией, ею же она и закончилась. Нуль превратился в положительную энергию вещества и отрицательную энергию гравитационного притяжения.

Через секунду после взрыва температура упала примерно до 1012 К, уменьшилась и скорость расширения. Для сравнения: по современным данным, температура в центре Солнца сейчас около 107 К, а скорость расширения Вселенной такова, что её размеры увеличиваются примерно на 5-10% за 109 лет. В возрасте одной секунды Вселенная состояла из фотонов, а также электронов, протонов, нейтронов, нейтрино и их античастиц. При дальнейшем расширении и охлаждении, то есть уменьшении энергии частиц, аннигиляция стала преобладать над рождением пар. Это означает возрастание числа фотонов и уменьшение числа частиц с массой покоя, отличной от нуля. Осталось лишь сравнительно небольшое число протонов, нейтронов и электронов, их античастицы исчезли почти полностью. Такое неравенство физики объясняют тем, что при однонаправленном течении времени поведение частиц, к счастью, отличается от поведения античастиц. К счастью потому, что все наши галактики и звезды как раз и состоят из того, что осталось. И мы с вами тоже. В это трудно поверить, но пока что приходится принимать такую ситуацию как должное, иначе трудно объяснить существование человечества - мы все состоим из вещества! На нынешнем этапе эволюции и наша природа, и наши физики в лабораториях генерируют антивещество в очень малых количествах, достаточных лишь для того, чтобы мы поверили в реальность процессов аннигиляции. Есть и другие попытки объяснить преобладание вещества над антивеществом, например, введением предположения о том, что между веществом и антивеществом действуют гравитационные силы отталкивания, а не притяжения, как в нашем мире. Пока что такое предположение не проходит из-за недостатка времени (или антивремени) для гравитационного разделения Вселенной и Антивселенной и из-за противоречий со знаками энергии взаимодействия. Коль скоро у нас пока нет возможностей провести прямой эксперимент по определению знаков гравитационного взаимодействия «частица - античастица», будем придерживаться принципа бритвы Оккама.

В возрасте около ста секунд Вселенная остыла до 1О10 К, частицы замедлились в своем движении и стали уже не в силах полностью противостоять действию ядерных сил притяжения. Пошел процесс образования ядер. Ядро как конденсированная система из протонов и нейтронов качественно отличается от простого сообщества этих частиц. По сравнению с конгломератом нуклонов это новый уровень организации - здесь и более сложная структура, и более сложные процессы взаимодействия. Налицо и системный эффект - появление «дефекта масс». Первыми возникли ядра дейтерия (протон + нейтрон), потом гелия (два протона + два нейтрона), затем более сложные ядра лития и бериллия. Загляните в таблицу Менделеева и уточните, сколько протонов и нейтронов в этих ядрах. Из-за наличия электрического отталкивания и некоторого дефицита нейтронов часть протонов (ядер водорода) осталась в свободном состоянии. Водород и гелий и сейчас преобладают во Вселенной.

Через несколько часов после старта образование ядер гелия, лития, бериллия прекратилось. Затем примерно 106 лет (один миллион) Вселенная взрослела спокойно, в состоянии плазмы из положительных ядер и отрицательных электронов, медленно расширяясь и охлаждаясь. Плазма, вообще говоря, для излучения непрозрачна, даже сквозь обычное пламя ничего не видно. Поэтому в течение этого времени излучение находилось в равновесии с окружающим веществом, то есть оно непрерывно рождалось и поглощалось. Самое интересное началось тогда, когда температура упала до нескольких тысяч кельвинов (или градусов Цельсия). Скорости частиц упали настолько, что электроны и ядра уже не могли преодолеть электрического притяжения. Возникли качественно новые системы из связанных ядер и электронов - атомы. Возник новый уровень организации материи. Как известно, атомы могут поглощать фотоны только определенных энергий, следовательно, сообщество атомов стало прозрачным. Излучение распространилось по всему пространству - именно его в наше время физики зафиксировали как реликтовое излучение (микроволновое фоновое излучение). Вещество же сравнительно медленно расширялось, а его плотность медленно уменьшалась[1].

Когда мы говорим о плотности вещества, то подразумевается обычно средняя плотность. В реальных системах всегда возможно случайное образование локальных «пустот» и локальных уплотнений - флуктуаций. Скорее всего, способность самопроизвольно генерировать флуктуации есть одно из фундаментальных свойств материи. Флуктуации плотности, вероятнее всего, возникали и до разделения вещества и излучения, и после возникновения атомных систем. В космологии просчитано несколько моделей, качественное следствие их одинаково - при уменьшении скоростей движения частиц случайное более плотное сообщество становится локальным источником гравитационного притяжения. За счет такой гравитационной неустойчивости на фоне общего расширения

Вселенной некоторые её области начали сжиматься - возникла возможность коллапса, то есть процесса быстрого сжатия вещества с повышением температуры внутри коллапсирующей системы. Именно гравитационная неустойчивость привела к появлению галактических облаков, затем внутри них возникли звезды. Гравитационное сжатие вызвало сильный разогрев материи внутри звезд.

При образовании звезд температура внутри них повышалась до огромных значений, достаточных для начала реакций ядерного синтеза. Водород в звездах обращается в гелий, звезда ярко светится. Но выделяющееся при этом тепло препятствует дальнейшему сжатию. При наличии вращения сжатие, как известно, приводит к увеличению скорости вращения (закон сохранения момента импульса). Различного рода неустойчивости в первые тысячи лет жизни звезды вызывают локальные взрывы и выбросы более тяжелых элементов, из которых могут образоваться планеты и их спутники. Так образовалось и наше Солнце - рядовая звезда среднего поколения. Оно не из самых старых звезд, но и немолодо, ему примерно пять миллиардов лет. Жить ему осталось, видимо ещё около восьми миллиардов лет. Ну, а что тогда будет с нами, сказать трудно.

Почти одновременно с Солнцем возникла и Солнечная система. Выбросы тяжелых элементов вероятнее всего должны происходить в экваториальных областях вращающихся звезд, именно поэтому все планеты солнечной системы вращаются примерно в одной плоскости. Взрывы и выбросы - явления высокотемпературные, поэтому Земля вначале была горячей, и атмосферы на ней не было. Горные породы, остывая, выделяли много газов, прежде всего, сероводорода. Так что при своем рождении наша атмосфера была для нас ядовитой. Затем возникли океаны, в которых появились макромолекулы, способные к самовоспроизведению. Здесь интенсивно шли и процессы самоорганизации, и процессы деградации, но выживали формы, более адаптированные к тогдашним условиям. В эволюции наступала эра живого вещества. Первичные организмы потребляли все, что было вокруг, но выделяли преимущественно кислород. Состав

Эволюция мира атмосферы изменялся, что и способствовало появлению более сложных форм жизни, в том числе и появлению человека.

В теории эволюции Вселенной ещё очень много белых пятен. Мы не знаем, почему именно эволюция шла так, а не иначе. Мы не знаем также, зачем все это было нужно, но пообсуждаем этот интересный вопрос в разделе о принципах. Если ещё раз воспроизвести описанную выше схему эволюции мира, то можно заметить, что по мере остывания возникали все более сложные системы. Вначале в хаосе элементарных частиц образовались ядра. Это произошло тогда, когда ядерные силы превысили влияние температуры. Затем аналогичным способом подключилось электромагнитное взаимодействие - появились атомы и молекулы. Затем настала очередь гравитации. Именно гравитационные, самые слабые по абсолютной величине силы привели к появлению галактик, звезд и планет. Пока речь идет о неживой материи, все более или менее ясно. Но возникновение и развитие живого - процесс значительно более сложный, так как в результате зарождаются и эволюционируют все более сложные системы. Самая сложная из которых - человек. Именно человек оказался способным понять, кто он есть, и что он должен делать дальше.

Задание. Уточните смысл понятий: Аннигиляция. Античастица. Бритва Оккама. Виртуальный. Коллапс. Красное смещение. Нейтрон, протон, нейтрино. Электрон. Фотон. Реликтовое излучение.

  • [1] Когда мы говорим быстро, медленно, то следует помнить, что масштабы времени у нас и у галактик сильно различаются.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >