Современная наука о происхождении и эволюции вселенной

Рассмотрение причин и  последствий космологического "Большого Взрыва" было бы не полным без еще  одного физического понятия. Речь идет о так называемом фазовом переходе (превращении), т.е. качественном     превращении   вещества,    сопровождающимся   резкой сменой одного его состояния другим. Советские  ученые-физики Д.А.Киржниц и А.Д.Линде  первыми обратили внимание на то, что  в начальной фазе становления  Вселенной, когда космическая материя  находилась в сверх горячем, но уже остывающем состоянии, могли происходить аналогичные физические процессы (фазовые переходы).

Дальнейшее изучение космологических  следствий фазовых переходов  с нарушенной симметрией привело  к новым теоретическим открытиям  и обобщениям. Среди них - обнаружение  ранее неизвестной эпохи в  саморазвитии Вселенной. Оказалось, что  в ходе космологического фазового перехода она могла достичь состояния  чрезвычайно быстрого расширения, при  котором ее размеры увеличились  во много раз, а плотность вещества оставалась практически неизменной. Исходным же состоянием, давшим начало раздувающейся Вселенной, считается  гравитационный вакуум. Резкие изменения, сопутствующие процессу космологического расширения пространства характеризуются  фантастическими цифрами. Так предполагается, что вся наблюдаемая Вселенная  возникла из единственного вакуумного пузыря размером меньше 10 в минус 33 степени .

В настоящее время еще  нет всесторонне проверенной  и признанной всеми теории происхождения  крупномасштабной структуры Вселенной, хотя ученые значительно продвинулись в понимании естественных путей  ее формирования и эволюции. С 1981 года началась разработка физической теории раздувающейся (инфляционной) Вселенной. К настоящему времени физиками предложено несколько вариантов данной теории. Предполагается, что эволюция Вселенной, начавшаяся с грандиозного обще-космического катаклизма, именуемого "Большим Взрывом", в последующем сопровождалась неоднократной сменой режима расширения.

Согласно предположениям ученых, спустя 10 в минус сорок  третьей степени секунд после "Большого Взрыва" плотность сверх горячей космической материи была очень высока (10 в 94 степени грамм/см кубический). Высока была и плотность вакуума, хотя по порядку величины она была гораздо меньше плотности обычной материи, а поэтому гравитационный эффект первобытной физической "пустоты" был незаметен. Однако в ходе расширения Вселенной плотность и температура вещества падали, тогда как плотность вакуума оставалась неизменной. Это обстоятельство привело к резкому изменению физической ситуации уже спустя 10 в минус 35 степени секунды после "Большого Взрыва". Плотность вакуума сначала сравнивается, а затем, через несколько сверх мгновений космического времени, становится больше ее. Тогда и дает о себе знать гравитационный эффект вакуума - его силы отталкивания вновь берут верх  над  силами  тяготения  обычной  материи,  после  чего  Вселенная начинает расширяться в чрезвычайно быстром темпе (раздувается) и за бесконечно малую долю секунды достигает огромных размеров. Однако этот процесс ограничен во времени и пространстве. Вселенная, подобно любому расширяющемуся газу, сначала быстро остывает и уже в районе 10 в минус 33 степени секунды после "Большого Взрыва" сильно переохлаждается. В результате этого обще-вселенского "похолодания" Вселенная от одной фаза переходит в другую. Речь идет о фазовом переходе первого рода - скачкообразном изменении внутренней структуры космической материи и всех связанных с ней физических свойств и характеристик. На завершающей стадии этого космического фазового перехода весь энергетический запас вакуума превращается в тепловую энергию обычной материи, а в итоге вселенская плазма вновь подогревается до первоначальной температуры, и соответственно происходит смена режима ее расширения.        

Не менее интересен, а  в глобальной перспективе более  важен другой результат новейших теоретических изысканий - принципиальная возможность избегания начальной  сингулярности в ее физическом смысле. Речь идет о совершенно новом физическом взгляде на проблему происхождения  Вселенной.

Оказалось, что вопреки  некоторым недавним теоретическим  прогнозам (о том, что начальную  сингулярность не удастся избежать и при квантовом обобщении  общей теории относительности) существуют определенные микрофизические факторы, которые могут препятствовать беспредельному сжатию вещества под действием сил  тяготения.

Еще в конце тридцатых  годов было теоретически обнаружено, что звезды с массой, превышающей  массу Солнца более чем в три  раза, на последнем этапе своей  эволюции неудержимо сжимаются до сингуляторного состояния. Последнее в отличие  от сингулярности космологического типа, именуемой фридмановской, называется шварцшильдовским (по имени немецкого  астронома, впервые рассмотревшего астрофизические следствия энштейновской  теории тяготения). Но с чисто физической точки зрения оба типа сингулярности  идентичны. Формально они отличаются тем, что первая сингулярность является начальным состоянием эволюции вещества, тогда как вторая - конечным.

Согласно недавним теоретическим  представлениям гравитационный коллапс  должен завершиться сжатием вещества буквально "в точку" - до состояния  бесконечной плотности. По новейшим же физическим представлениям коллапс  можно остановить где-то в районе планковской величины плотности, т.е. на рубеже 10 в 94 степени грамм/ см. кубический. Это значит, что Вселенная возобновляет свое расширение не с нуля, а имея геометрически определенный (минимальный) объем и физически приемлемое, регулярное состояние.

Академик М.А.Марков выдвинул интересный вариант пульсирующей Вселенной. В логической рамке этой космологической  модели старые теоретические трудности,    если не решаются окончательно, то, по крайней мере, освещаются под новым  перспективным углом зрения. Модель основана на гипотезе согласно которой  при резком уменьшении расстояния константы  всех физических взаимодействий стремятся  к нулю. Данное предположение - следствие  другого допущения, согласно которому константа гравитационного взаимодействия зависит от степени плотности  вещества.

Согласно теории Маркова, всякий раз, когда Вселенная из фридмановской  стадии (конечное сжатие) переходит  в стадию деситтеровскую (начальное  расширение), ее физико-геометрические характеристики оказываются одними и теми же. Марков считает, что этого  условия вполне достаточно для преодоления  классического затруднения на пути физической реализации вечно осциллирующей  Вселенной.

4. Изучение Вселенной.

Великий немецкий ученый, философ  Эммануил Кант (1724-1804) создал первую универсальную  концепцию эволюционирующей Вселенной, обогатив картину ее ровной структуры, и представлял Вселенную бесконечной  в особом смысле. Он обосновал возможности  и значительную вероятность возникновения  такой Вселенной исключительно  под действием механических сил  притяжения и отталкивания. Кант попытался  выяснить дальнейшую судьбу этой Вселенной  на всех ее масштабных уровнях, начиная  с планетной системы и кончая миром туманности.

Эйнштейн совершил радикальную  научную революцию, введя свою теорию относительности. Это было сравнительно просто, как и всё гениальное. Ему не пришлось предварительно открыть  новые явления, установить количественные закономерности. Он лишь дал принципиально  новое объяснение.

Эйнштейн раскрыл более  глубокий смысл установленных зависимостей, эффектов уже связанных в некую  физико-математическую систему (в виде постулатов Пуанкаре). Заменив в  данном случае теорию абсолютности пространства и времени идей их относительности  «Пуанкаре», которую теперь уже не связывали с идеей абсолютного  в пространстве, абсолютной системы  отсчета. Такой переворот снимал основное противоречие, создававшее  кризисную ситуацию, в теоретическом  осмыслении действия. Более того, открылся путь для дальнейшего проникновения  в свойства и законы окружающего  мира, настолько глубоко, что сам  Эйнштейн не сразу осознал степень  революционности своей идеи.

В статье от 30.06.1905 г., заложившей основы специальной теории относительности, Эйнштейн, обобщая принципы относительности  Галилея, провозгласил равноправие  всех инерциальных систем отсчета не только в механических явлениях, но также электромагнитных явлений.

Специальная или частная  теория относительности Эйнштейна  явилась результатом обобщения  механики Галилея и электродинамики  Максвелла Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения близких к скорости света.

Впервые принципиально новые  космологические следствия общей  теории относительности раскрыл  выдающийся математик и физик  – теоретик Александр Фридман (1888-1925 гг.). Выступив в 1922-24 гг. он раскритиковал  выводы Эйнштейна о том, что Вселенная  конечна и имеет форму четырехмерного цилиндра. Эйнштейн сделал свой вывод, исходя из предположения о стационарности Вселенной, но Фридман показал необоснованность его исходного постулата.

Фридман привел две модели Вселенной. Вскоре эти модели нашли  удивительно точное подтверждение  в непосредственных наблюдениях  движений далёких галактик в эффекте  «красного смещения» в их спектрах.

Этим Фридман доказал, что вещество во Вселенной не может  находиться в покое. Своими выводами Фридман теоретически способствовал  открытию необходимости глобальной эволюции Вселенной.

Существует несколько  теории эволюции. Теория пульсирующей Вселенной утверждает, что наш  мир произошел в результате гигантского  взрыва. Но расширение Вселенной не будет продолжаться вечно, т.к. его  остановит гравитация.

По этой теории наша Вселенная  расширяется на протяжении 18 млрд. лет  со времени взрыва. В будущем расширение полностью замедлится, и произойдет остановка. А затем Вселенная  начнёт сжиматься до тех пор, пока вещество опять не сожмется и произойдет новый взрыв.

Теория стационарного  взрыва: согласно ей Вселенная не имеет  ни начала, ни конца. Она все время  пребывает в одном и том  же состоянии. Постоянно идет образование  нового водоворота, чтобы возместить вещество удаляющимися галактиками. Вот  по этой причине Вселенная всегда одинакова, но если Вселенная, начало которой  положил взрыв, будет расширяться  до бесконечности, то она постепенно охладится и совсем угаснет.

5. Эволюция Вселенной.

Процесс эволюции Вселенной  происходит очень медленно. Ведь Вселенная  во много раз старше астрономии и  вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной. И всё же исследования, проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес, закрывающий от нас далекое  прошлое.

Современные астрономические  наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был  гигантский огненный шар, раскаленный  и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был настолько  раскален, что состоял лишь из свободных  элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.

На начальном этапе  расширения Вселенной из фотонов  рождались частицы и античастицы. Этот процесс постоянно ослабевал, что привело к вымиранию частиц и античастиц. Поскольку аннигиляция  может происходить при любой  температуре, постоянно осуществляется процесс частица + античастица  гамма-фотона при условии соприкосновения вещества с антивеществом. Процесс материализации гамма-фотон частица + античастица мог протекать лишь при достаточно высокой температуре. Согласно тому, как материализация в результате понижающейся температуры раскаленного вещества приостановилась, эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную и звездную.

5.1 Адронная эра.

При очень высоких температурах и плотности в самом начале существования Вселенной материя  состояла из элементарных частиц. Вещество на самом раннем этапе состояло, прежде всего, из адронов, и поэтому  ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны.

Через миллионную долю секунды  с момента рождения Вселенной, температура T упала на 10 биллионов Кельвинов(10¹³K). Средняя кинетическая энергия частиц kT и фотонов hν составляла около миллиарда эв (10³ Мэв), что соответствует энергии покоя барионов. В первую миллионную долю секунды эволюции Вселенной происходила материализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но по прошествии этого времени материализация барионов прекратилась, так как при температуре ниже 10¹³K фотоны не обладали уже достаточной энергией для ее осуществления. Процесс аннигиляции барионов и антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов (протоны и нейтроны). Так во Вселенной исчезла самая большая группа барионов - гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад гиперонов происходил на этапе с 10^-6 до 10^-4 секунды.

К моменту, когда возраст  Вселенной достиг одной десятитысячной секунды (10^-4с.), температура ее понизилась до 10¹²K, а энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже для возникновения самых легких адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг 10^-4 с., в ней исчезли все мезоны. На этом и кончается адронная эра, потому что пионы являются не только самыми легкими мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда после этого сильное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды.

5.2. Лептонная эра.

Когда энергия частиц и  фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв, в веществе было много  лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное  возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и  нейтроны), пережившие адронную эру, стали  по сравнению с лептонами и  фотонами встречаться гораздо реже.

Лептонная эра начинается с распада последних адронов - пионов - в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько  секунд при температуре 10¹⁰K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем “реликтовыми”. Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.