Модель Большого Взрыва и хронология Вселенной

  

Со  временем энергия фотонов понижалась, и как только она упала ниже произведения энергии частицы и  античастицы (2m_oc²), фотоны уже не способны были обеспечить возникновение частиц и античастиц с массой m_o. Так, например, фотон, обладающий энергией меньшей, чем 2*938 Мэв, не способен материализоваться в протон и антипротон, потому что энергия покоя протона равна 938 мэв.

   В предыдущем  соотношении можно заменить энергию  фотонов hn кинетической энергией частиц kT ,

                    

 

то есть

Знак  неравенства означает следующее: частицы  и соответствующие им античастицы  возникали при материализации в  раскаленном веществе до тех пор, пока температура вещества T не упала ниже указанного значения.                          

    На начальном этапе расширения Вселенной из фотонов рождались частицы и античастицы⁹. Этот процесс постоянно ослабевал, что привело к вымиранию частиц и античастиц. Поскольку аннигиляция¹⁰ может происходить при любой температуре, постоянно осуществляется процесс

 

частица + античастица Þ 2 гамма-фотона

 

при условии соприкосновения  вещества с антивеществом. Процесс  материализации

 

гамма-фотон Þ 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.

а)   Адронная эра.  

 

Длилась примерно от¹¹ t=10^-6 до t=10^-4. Плотность порядка 10¹⁷ кг/м³ при T=10¹²…10¹³.

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 hn 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 10¹³ K 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^-4 с.), температура ее понизилась до 10¹² K, 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.

б)  Лептонная  эра.

 

Длилась примерно от¹² t=10^-4 до t=10¹. К концу эры плотность порядка 10⁷ кг/м³ при T=10⁹.

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 10¹⁰ K, 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.

в)  Фотонная эра или эра излучения.

 

Длилась примерно от¹³ t=10^-6 до t=10^-4. Плотность порядка 10¹⁷ кг/м³ при T=10¹²…10¹³.

На  смену лептонной эры пришла эра  излучения, как только температура  Вселенной понизилась до 10¹⁰ K , а энергия гамма фотонов достигла 1 Мэв, произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Новые электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, потому, что фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества.

Со  времени адронной и лептонной  эры Вселенная была заполнена  фотонами. К концу лептонной эры  фотонов было в два миллиарда  раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной Вселенной  после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по  энергии.

Для того чтобы можно было сравнивать роль частиц и фотонов во Вселенной, была  введена величина плотности  энергии. Это количество энергии  в 1 куб.см, точнее, среднее количество (исходя из предпосылки, что вещество во Вселенной распределено равномерно). Если сложить вместе энергию hn всех фотонов, присутствующих в 1 куб.см, то мы получим плотность энергии излучения E_r. Сумма энергии покоя всех частиц в 1 куб.см является средней энергией вещества E_m во Вселенной.

Вследствие расширения Вселенной  понижалась плотность энергии фотонов  и частиц. С увеличением расстояния во Вселенной в два раза, объём увеличился в восемь раз.  Иными словами, плотность частиц и фотонов понизилась в восемь раз. Но фотоны в процессе расширения ведут себя иначе, чем частицы. В то время как энергия покоя во время расширения Вселенной не меняется, энергия фотонов при расширении уменьшается. Фотоны понижают свою частоту колебания, словно “устают” со временем. Вследствие этого плотность энергии фотонов (E_r) падает быстрее, чем плотность энергии частиц (E_m).

Преобладание  во вселенной фотонной составной  над составной частиц (имеется  в виду плотность энергии) на протяжении эры излучения уменьшалось до тех пор, пока не исчезло полностью. К этому моменту обе составные  пришли в равновесие (то есть E_r = E_m). Кончается эра излучения и вместе с этим период “Большого Взрыва”. Так выглядела Вселенная в возрасте примерно 300 000 лет. Расстояния в тот период были в тысячу раз короче, чем в настоящее время.

“Большой взрыв” продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную  нынешнего возраста Вселенной. Несмотря на краткость срока, это всё же была самая славная эра Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом её начале, во время “большого взрыва”. Все события во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции.

Не  следует забывать, что в столь  короткое время (всего лишь несколько секунд) из богатого разнообразия видов элементарных частиц исчезли почти все: одни путем аннигиляции (превращение в гамма-фотоны), иные путем распада на самые легкие барионы (протоны) и на самые легкие заряженные лептоны (электроны).

г) Звездная эра.

 

После “Большого  Взрыва” наступила продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц. Мы называем её звездной эрой. Она продолжается со времени завершения “Большого  Взрыва” (приблизительно 300 000 лет) до наших дней. По сравнению с периодом “Большого  Взрыва” её развитие представляется как будто слишком замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры.

Таким образом, эволюцию Вселенной можно  сравнить с фейерверком, который  окончился. Остались горящие искры, пепел и дым. Мы стоим на остывшем пепле, вглядываемся в стареющие  звезды и вспоминаем красоту и  блеск Вселенной. Взрыв суперновой или гигантский взрыв галактики - ничтожные явления в сравнении  с большим взрывом.

 

«Итоги первых шагов Маленькой Вселенной»¹⁴

Согласно гипотезе «горячей Вселенной» расширение Метагалактики  началось от состояния материи, характеризующегося чрезвычайно высокой плотностью и температурой, с «Большого Взрыва».

В пользу этой гипотезы свидетельствует

• реликтовое излучение;
• закон Хаббла, основанный на эффекте Доплера;
• характер распространения химических элементов во Вселенной.

На ранних стадиях  расширения Метагалактики в ходе реакций, происходивших между «элементарными»  частицами, образовались ядра атомов водорода и гелия.

Более тяжелые химические элементы появились позже, как продукты ядерных реакций, происходивших  в недрах звезд.

Эти элементы рассеивались в пространстве (например, в результате взрыва сверхновых), и из них постепенно возникали новые тела: звезды и планеты.

Будущее нашей Вселенной зависит от ее критической плотности. То есть от ее фактического определения. А здесь главная проблема состоит в том, есть ли на самом деле огромные массы какого-либо скрытого вещества Замедление расширения пропорционально плотности Вселенной.

Возможна ситуация, когда при сегодняшней скорости расширения плотность вещества Вселенной достаточно мала и замедление мало. Тогда расширение будет протекать неограниченно. Но возможно, что плотность достаточно велика, а значит велико замедление расширения. В результате расширение прекратится и заменится сжатием.

 

Заключение

Хотя академик Я.Б. Зельдович  не сомневался в правильности теории «Большого взрыва», и в его  пользу говорят, как это было уже  упомянуто выше: реликтовое излучение; закон Хаббла, основанный на эффекте  Доплера; характер распространения  химических элементов во Вселенной  – автор данной работы всё же оставляет за собой право немного  скептически относиться к данной теории.

Во-первых, теория не  дает ответа на следующие вопросы:

1. Что заставило вещество Вселенной расширяться?
2. Что происходило до начала расширения, до момента сингулярнгости?
3. Конечны ли пространство и масса? Откуда они берутся.

Во-вторых, несмотря на то, что теория «Большого Взрыва» основывается на ОТО, допускается разбегание некоторых частиц со скоростями, в несколько раз превышающими скорость света. Так же в теории указываются ограничения на возможную плотность вещества (не более 10⁹⁷), хотя с другой стороны выдвигается гипотеза о первоначальной точечности Вселенной, а следовательно и все-таки о бесконечной плотности (т.к. масса бесконечна).

В-третьих, по нашему мнению, довольно абстрактно, альтернативно рассматриваются такие вопросы, плотно примыкающие к теории «Большого взрыва», как границы и открытость Вселенной, евклидова и неевклидова¹⁵ модель Вселенной.

Наконец, не находят веского фактического  подтверждения (хотя по теоретическим выкладкам все получается хорошо и главное – «удобно» ) существование таких частиц как гипероны, мезоны.

То есть все методы анализа полученных данных, исследования, выдвижения гипотез осуществляются при довольно высокой степени  допущений. Такая степень не позволительна  для гипотезы, хотя может быть и  подходит для столь глобальной теории.

Остается только верить ил надеяться, что космология когда-либо заполнит эти «белые дыры», сделает  свои выводы обоснованными и по возможности  фактически подтвержденными.

Кстати, о «белых дырах». Вероятнее всего, именно их изучение позволит нам узнать ответы на многие вопросы, потому что существует гипотеза: именно белые дыры являются кусками  первозданной сингулярности, первозданного  ядра расширения.

В этот направлении, по-видимому, и стоит ждать новых открытий в данной области, т.к. данный вопрос в целом является еще не полностью изученным и требует серьёзных исследований.

Словарь специальных  терминов.

 

Адроны – общее название элементарных частиц (барионов,включая все резонансы и мезоны), подверженных сильному взаимодействию (это взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер).

Античастицы – электрические частицы, масса и спин которых точно равен массе и спину данной частицы, а электрический заряд, магнитный момент и другие подобные характеристики равны по величине и противоположны по знаку тем же характеристикам частицы. Характерным свойством таких пар (частица-античастица) является их аннигиляция при столкновении и рождение их в процессах взаимодействия частиц высоких энергий.

Аннигиляция – превращение частиц и античестицц при их столкновении в другие частицы (например, протон + антипротон = np–мезонов; электрон + позитрон = nФотонов).

Барионы – «тяжёлые» элементарные частицы с массой меньше протона и спином, равным ½. К ним относят,  например нуклоны (протоны и нейтроны), а так же много других частиц  /см. кварки/.

Бозоны – большой класс элементарных частиц с целочисленным спином (например, фотоны со спином 1). К этому классу принадлежат мезоны, промежуточные векторные бозоны и др. частицы.

Векторные нуклоны – см. барионы.

Гамма-излучение – излучение, возникающее при торможении заряженных частиц большой энергии в веществе, аннигиляции пар и т.д.

Глюоны – гипотетические элементарные частицы (спин равен 1, масса покоя 0), обеспечивающие взаимодействие между кварками.