Эволюция Вселенной

Началом современной космологии считается создание в 1917 году Эйнштейном стационарной релятивистской космологической модели. В ее основу легла ОТО, хотя статическое пространство не является ее решением. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Вселенная безгранична, но замкнута в пространстве. Сигнал, пущенный наблюдателем, вернется к нему с противоположной стороны Вселенной. Время бесконечно, но не влияет на свойства Вселенной.

В 1922 году российский математик и физик А.Фридман выступил с критикой этой теории. Согласно Фридману пространство и время взаимосвязаны и зависят от материи. Он выдвинул принцип нестационарности Вселенной, согласно которому пространство не может быть постоянным, его кривизна меняется во времени. Из ОТО следовало два варианта развития Вселенной в зависимости от плотности вещества. Неограниченное расширение, если средняя плотность Вселенной меньше критической; периодическое расширение и сжатие, если плотность равна или больше критической. Эйнштейн не сразу, но согласился с критикой.

Решение Фридмана, продолженное в прошлое, дает состояние бесконечной плотности. В 1927 году Ж.Леметр предложил это состояние сингулярности как исходное состояние Вселенной. Он предположил, что первоначальный радиус Вселенной был 10^-12 см (близким к размерам электрона), а плотность 10⁹⁶ г/см³. В 1965 году С.Хокинг математически обосновал необходимость состояния сингулярности в любой модели расширяющейся Вселенной.

В 1929 году Э.Хаббл обнаружил эффект красного смещения излучения галактик, что подтверждало их разбегание. Это открытие убедительно доказывало теорию расширяющейся Вселенной.

В 1948-1956 годы начался новый этап в развитии космологии. Дж.Гамовым была предложена модель горячей Вселенной (гипотеза Большого взрыва). Момент начала времени Вселенной называется Большим взрывом. В этой теории Вселенная возникла в результате взрыва из первоначального состояния сингулярности.

Цель заключалась в том, чтобы прогнозируя ядерные реакции в начале космологического расширения, получить наблюдаемое в настоящее время соотношение химических элементов. Когда температуры были очень высоки, рождались разные частицы. По мере расширения температура падала и тяжелые частицы «вымирали», а синтез элементов ограничивался легкими элементами. Через три минуты расширения вещество состояло из 75% водорода и 25% гелия.

Теория предсказала существование в нашу эпоху фонового реликтового излучения Вселенной – остатка энергии Большого взрыва. На ранней стадии расширения почти вся плотность массы Вселенной определялась реликтовым излучением (плотность вещества меняется пропорционально R³, а излучения - пропорционально R⁴, т.к. у квантов меняется еще и энергия). Экспериментальным подтверждением модели горячей Вселенной явилось обнаружение реликтового излучения в 1965 году. Это фотоны и нейтрино, остывшие до 2.7 К (400-500 фотонов на см³).

Но теория не отвечала на вопросы о причинах Большого взрыва, асимметрии вещества и антивещества и др. В 1980 году группа отечественных и зарубежных физиков (А.Старобинский, А.Гут, А.Линде и др.) предложила модель инфляционной Вселенной. Здесь причины Большого Взрыва объяснялись состоянием космического вакуума. Модель принципиально не противоречит теории Большого взрыва, а дополняет ее. Она описывает Вселенную с момента10^-43 сек в три этапа: сингулярность, инфляция, Большой взрыв.

Начальным состоянием Вселенной является вакуум, состояние квантовой гравитации, описываемое величинами «планковского масштаба»: энергии 10¹⁹ ГэВ, длины 10^-50 см, времени 10^-43 сек, плотности 10⁹⁶ г/см³. Возникшая в 10^-43 сек сингулярность есть квантовая флуктуация вакуума. Радиус Вселенной в этот момент составлял 10^-50 см. В возбужденном вакууме (состояние ложного вакуума) в процессе рождения и уничтожения виртуальных частиц возникла огромная сила космического отталкивания, которая привела к ультрарелятивистскому процессу раздувания «пузырей» - зародышей вселенных. Виртуальные частицы не подчиняются запрету Паули: в одной точке фазового пространства их может находиться бесконечно много – это источник неисчерпаемой энергии.

Раздувание, значительно превосходившее скорость света, назвали инфляцией. На фазе инфляции в промежутке 10^-43-10^-34 секунды сформировались пространственно-временные характеристики нашей Вселенной. Примерно за 10^-34 сек Вселенная раздулась в громадный шар с размерами намного больше Метагалактики (наблюдаемой области Вселенной). Метагалактика имеет размер 10²⁸ см. Но это не противоречит СТО, так как раздувание не связано с установлением причинно-следственных связей в веществе и излучении, которые к тому времени еще не образовались. В настоящее время Вселенная раздулась до размеров 10^{1 000 000} см. Масса Вселенной составляет 10⁵⁸ г.

Сила, образовавшая Вселенную, ̶ суперсила (супергравитация) ̶ объединяла четыре фундаментальных взаимодействия. Возможно, это суперструнная сила. После фазы инфляции она распалась. Образование фундаментальных частиц – кварков и лептонов – единовременно связано с образованием типов их взаимодействий. Эволюция Вселенной есть переход от более высокой к более низкой симметрии (асимметрии), чередование порядка и хаоса.

На фазе инфляции Вселенная была пустой и холодной. Примерно через 10^-34 сек после начала расширения ложный вакуум из-за неустойчивости распался, и силы космического отталкивания иссякли и началась эволюция горячей Вселенной. Огромные запасы энергии вакуума высвободились в виде 10¹⁹ ГэВ (Большой взрыв), мгновенно нагрев Вселенную до температуры Т=10³² К. В настоящее время остатки этого излучения наблюдаются как реликтовое - его изучение позволяет заглянуть в прошлое до 10^-30 сек от начала.

Благодаря энергии Большого взрыва энергия частиц достигала 10¹⁹ ГэВ. В этот период вещество существовало в виде виртуально-плазменной смеси вещества и антивещества - кварков и лептонов. Затем Вселенная стала остывать, проходя фазовые переходы, где последовательно обособлялись гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. Таким образом, Большой взрыв характеризует Вселенную не в момент перехода из сингулярного состояния, а в момент перехода из холодного в горячее состояние.

Когда фаза инфляции закончилась Большим взрывом (Т=10³² К, 10¹⁹ ГэВ, t═10^-34 сек), произошел первый фазовый переход: от суперсилы отделилась гравитация. Вещество и антивещество аннигилировали (уничтожались) и одновременно распадались. Однако распад частиц и античастиц шел по-разному. Образовалось преобладание (антисимметрия) вещества над антивеществом - на 1 млрд. античастиц было 1 млрд. плюс одна частица вещества. Избыточное вещество стало материалом нашей Вселенной. Вселенная представляла кварк-лептонную плазму. При той температуре лептоны и кварки были неразличимы, свободно превращаясь друг в друга. Роль частицы-посредника выполнял Х-бозон массой 10¹⁴ m_p.

Новый фазовый переход (Т=10¹⁵ К, 10¹⁴ ГэВ, 10^-12 сек): отделилось сильное взаимодействие. Х-бозон распался на глюоны и безмассовый бозон – переносчик электрослабого взаимодействия. Обрели массу покоя кварки и лептоны, которые стали различимыми. Они являются реликтами этой эпохи.

Следующий фазовый переход произошел при Т=10¹³ К, 10³ ГэВ, 10^-5 сек – разделилось электрослабое взаимодействие. Электрослабый бозон разделился на фотон и переносчиков слабого взаимодействия. Образовались фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы в их современной форме. Кварки объединились в адроны и начался первичный нуклеосинтез – синтез ядер гелия.

Поиск по сайту: