27801-1 (590961), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Но фаза инфляции не может быть длительной. Отрицательный вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад осуществляется, отталкивание исчезает. Это значит, что инфляция исчезает и Вселенная переходит к во власть обычного гравитационного притяжения. "Часы" Вселенной тогда показывали всего 10 n сек (где n = - 34).Но благодаря полученному первоначальному импульсу, приобретенному в процессе инфляции, расширение Вселенной, которое мы сейчас наблюдаем, продолжается и неуклонно снижается. Постепенное замедление расширения Вселенной - это единственный след, который сохранился до настоящего времени от момента Большого взрыва.
В конце фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но с окончанием фазы инфляции произошло высвобождение огромных запасов энергии, сосредоточенных в исходном физическом вакууме. Когда вакуум распался, колоссальная энергия высвободилась в виде в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную примерно до температуры 1 0 n К, где n = 2 7 . С этого момента и начинается эволюция "горячей Вселенной". Благодаря энергии возникло вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать и постепенно стали "кристаллизовываться" все ее элементы, наблюдаемые сегодня.
Несмотря на то что инфляционная модель разработана пока только частично, тем не менее она позволяет успешно объяснить ряд фундаментальных космологических закономерностей. Большой взрыв перестал быть загадкой, лежащей за пределами естествознания.
11.7.3. Первые секунды Вселенной
Ранняя Вселенная представляла собой гигантскую лабораторию природы, в которой энергия, высвободившаяся в результате Большого взрыва, пробудила физические процессы, не воспроизводимые в земных условиях.
Следующий этап рождения Вселенной связан с так называемой эрой Великого объединения: возраст Вселенной всего лишь 10n с, где n = - 3 2 , а температура около 10n К, где n = 2 9 . В этот момент Космос был заполнен "супом" из странных, неведомых нам частиц, в том числе чрезвычайно массивных. Важнейшими составляющими экзотического "супа" были, вероятно, сверхмассивные частицы - переносчики взаимодействия в теориях Великого объединения, так называемые Х и У- частицы. Именно эти частицы привели к асимметрии в соотношении вещества и антивещества.
По оценкам эта асимметрия характеризуется отношением (10n + 1): 10n , где n = 9 , т.е. на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица. Несмотря на малость этого эффекта, он играет решающую роль. По мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом и при этом почти все вещество исчезало. "Почти", но не все, поскольку имелся избыток вещества над антивеществом в одну частицу на миллиард. Именно этот мизерный остаток и послужил материалом, из которого построена вся Вселенная, включая человека. Если бы этого остатка не было, то мир был бы практически "пустым", т.е. заполнен только полем, но не веществом. Можно сказать, что вещество возникло благодаря оплошности природы. Именно в эти самые ранние моменты развития Вселенной сложилась ее современная структура.
Таким образом, подавляющая часть вещества, возникшего в процессе Большого взрыва, аннигилировала в первые секунды Вселенной, а вместе с ним исчезло и все космическое антивещество. (Теперь понятно, почему во Вселенной так мало антивещества.) Исчезнув, оно превратилось в энергию: в процессе аннигиляции на каждый уцелевший электрон (или протон) возникало около миллиарда гамма - квантов. В результате расширения Вселенной это гамма-излучение "остыло", образовав к настоящему времени так называемое фоновое тепловое излучение, которое составляет значительную часть энергии Вселенной.
Спустя 10n с, где n = - 1 2 , после Большого взрыва температура была столь высока, что тепловой энергии оказалось достаточно для рождения всех известных частиц и античастиц, причем такой плотности, что установилось равновесие, при котором энергия равномерно распределялась между всеми видами частиц. На этой стадии характер вещества во Вселенной резко отличался от всего, что мы можем непосредственно наблюдать: адроны не имели индивидуальных свойств; протоны и нейтроны не существовали как различные объекты; вещество представляло собой "кварковую жидкость"; не различались слабое и электромагнитное взаимодействия; такие частицы, как электроны, мюоны и нейтрино, не существовали в обычном виде; свойства фотонов перемешаны со свойствами W и Z -частиц. Такое состояние Вселенной, заполненной таинственной жидкостью и населенной неведомыми нам частицами, в последующие времена никогда не повториться.
Однако вещество не могло продолжительно существовать в столь нестабильной фазе. Падение температуры ниже 10n К (где n = 15) вызывает внезапный фазовый переход, напоминающий замерзание воды и образование льда. Результатом этого перехода явилось возникновение известных нам частиц - электронов, нейтрино, фотонов и кварков, которые теперь вполне различимы. В этот момент нарушается калибровочная симметрия, а электромагнитное взаимодействие отделяется от слабого.
Следующий фазовый переход происходит через одну миллисекунду после Большого взрыва и при Т=10n К ( где n = 13) приводит к конденсации кварков. Кварки объединяются в группы (попарно или по три) и образуются адроны (протоны, нейтроны, мезоны и другие сильно взаимодействующие частицы).
При Т ~ 2 · 1 0 n K (где n = 1 0) электронные нейтрино перестают взаимодействовать с частицами. Поскольку нейтрино стабильны и очень слабо взаимодействуют с веществом, мир для них оказывается практически прозрачным; они легко перемещаются во Вселенной и их энергия уменьшается только из-за ее расширения. К нашей эпохе температура этих реликтовых нейтрино должна оказаться около 2 К. Обнаружение этого излучения будет великим достижением астрономии. Но пока, к сожалению, методы обнаружения таких реликтовых нейтрино не разработаны.
По мере дальнейшего падения температуры аннигилировали, создавая интенсивное гамма-излучение, все оставшиеся античастицы, и вещество превратилось в знакомую нам смесь протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и фотонов. С этого момента открылся прямой путь для синтеза гелия, который и начинается через несколько секунд после Большого взрыва.
11.7.4. От первых минут Вселенной до образования звезд и галактик
Методом математического с использованием данных ядерной физики астрофизикам удалось воспроизвести детали ядерных процессов, происходивших в первые минуты существования Вселенной. (См.: Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М., 1981)
Согласно полученным результатам, в конце первой секунды температура достигала 10n К, где n = 10 . При такой высокой температуре сложные ядра существовать не могут. Тогда все пространство было заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами вперемешку с электронами, нейтрино и фотонами. Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро и по прошествии минуты температура упала на два порядка, а спустя еще несколько минут стала ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции. В этот относительно короткий (несколько минут) промежуток времени протоны и нейтроны могли объединяться, образуя сложные ядра.
В тот период основной ядерной реакцией было слияние протонов и нейтронов с образованием ядер гелия, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку протоны немного легче нейтронов, они присутствовали в несколько большем количестве и по завершении синтеза гелия часть протонов оставалась свободной. Образовавшаяся плазма состояла примерно на 25 % из ядер гелия и на 75 % из ядер водорода (протонов). Эти цифры соответствуют наблюдаемому содержанию названных элементов в современной Вселенной.
Великое счастье для нас, что в первичном веществе был избыток протонов над нейтронами. Благодаря ему остались во Вселенной несвязанные протоны, и впоследствии образовался водород, без которого не светило бы Солнце, не было бы воды, не могла возникнуть жизнь. Не было бы жизни, не было бы и человечества. Так наше существование и сама возможность познания Вселенной прямо определяется отдаленным прошлым, начальными моментами Вселенной.
После стадии термоядерных реакций температура вещества еще настолько высока, что оно находится в состоянии плазмы еще сотни тысяч лет, вплоть до периода рекомбинации (T ~ 4 000 K), когда протоны присоединяют электроны и превращаются в нейтральный водород. Несколько раньше образовался нейтральный гелий. Как полагают, из этих первичных водорода и гелия, находившихся в газообразном состоянии, образовались первые звезды и галактики
Когда размеры Вселенной были примерно в 100 раз меньше, чем в настоящую эпоху, из зарождавшихся неоднородностей газообразного водорода и гелия возникли газовые сгустки - протогалактические сгущения. Постепенно они фрагментировались, в них образовывались меньшие сгустки вещества. Из таких сгустков разной массы, имевших определенный вращательный момент, постепенно сформировались звезды и галактики. Расширение Вселенной определило разлет галактик, которые сами практически не расширяются.
11.7.5. Образование тяжелых химических элементов
Таким образом, согласно современным космологическим представлениям, атомы существовали не всегда: они являются реликтами физических процессов, происходивших в глубинах Вселенной задолго до образовании Земли. Атомы - это ископаемые космоса. Первооснову космического вещества составляет водород, на который вместе с гелием приходится почти 100% всех атомов, тогда как на каждый из остальных примерно 90 элементов - лишь исключительно малая доля.
На начальных стадиях существования Вселенной космическое вещество практически не содержало элементов среднего и тяжелого веса. Такие элементы - это "зола" ядерных "костров", пылающих в недрах звезд. Ведь как мы уже отмечали, ядро звезды представляет собой термоядерный реактор, в котором горючим служат в основном ядра водорода (протоны). Огромная температура внутри звезды заставляет протоны интенсивно двигаться и, преодолевая электростатическое отталкивание, соударяться друг с другом. Когда протоны при соударении сближаются до радиуса сильного ядерного взаимодействия, становится возможным их слияние (синтез). Ядро, состоящее из двух протонов, неустойчиво, но если один из протонов (в результате слабого взаимодействия) превратится в нейтрон, то образуется устойчивое ядро дейтерия; при этом высвобождается энергия, способствующая поддержанию высокой температуры в недрах звезды. Последующие реакции синтеза приводят к превращению дейтерия в гелий. В ходе следующих один за другим процессов синтеза сначала образуется углерод, а затем и все более сложные ядра. По мере исчерпания запасов ядерного горючего звезды ее внутренняя структура представлена слоями различных химических элементов, каждый из которых отражает различные стадии ядерного синтеза. Так на протяжении своей "жизни" звезда постепенно превращается из смеси первичного водорода и гелия в хранилище тяжелых химических элементов.
На заключительном этапе эволюции такой звезды ядерные реакции уже не в состоянии поддерживать необходимые значения температуры и давления, которые обеспечивали бы ее устойчивость, постепенно нарастает неустойчивость звездной массы. В результате гравитация, выйдя из-под контроля, вызывает мгновенное сжатие (коллапс) звезды. Гигантский выброс энергии буквально сдувает внешние слои звезды в окружающее пространство, разбрасывая тяжелые элементы по просторам галактики. Подобный выброс обычно называют взрывом сверхновой. Каждый взрыв сверхновой обогащает галактику тяжелыми элементами, из которых впоследствии и могут образоваться планетные системы типа Земли, на которых возможно зарождение и эволюция жизни.
За всю историю развития нашей Галактики в ней вспыхнуло примерно один млрд. сверхновых звезд!
11.7.6. Сценарии будущего Вселенной
Любопытно знать не только прошлое Вселенной, но и иметь представление о том, что будет с нашей Вселенной в необозримом будущем. Тем более, что это будущее не менее поразительно, чем ее прошлое. Теоретическое моделирование будущего Вселенной существенно различается в "открытых" и "закрытых" ее моделях.
Напомним, что "закрытые" модели предполагают, что в будущем расширение Вселенной сменится ее сжатием. Если нынешний этап расширения Вселенной в будущем сменится сжатием, то можно предположить, что примерно через 30 млрд. лет она начнет сжиматься и должна через 50 млрд. лет вновь вернуться в сингулярное состояние. Таким образом, полный цикл расширения и сжатия Вселенной составляет примерно 100 млрд. лет!
Таким образом, Вселенная предстает как закрытая система, испытавшая множество эволюционных циклов. При переходе от одного цикла к другому какие-то общие параметры Вселенной (Метагалактики) изменяются. Эти изменения отражаются очевидно в смене фундаментальных постоянных.
Совершенно иначе предстает будущее Вселенной в открытых моделях. В соответствии с открытыми сценариями многие звезды остынут уже через 1 0 n лет (где n = 14). Остывание звезд достаточно быстро (уже через10 n лет, где n = 15) приведет к тому, что планеты начнут отрываться от своих звезд, а звезды покидать свои галактики. Примерно через 10 n лет (где n = 19), большая часть звезд покинут свои галактики; центральные области Галактики коллапсируют, образуя "черные дыры". Так галактики прекращают свое существование, звезды превращаются в "черные карлики".
Дальнейшая эволюция будущей Вселенной не вполне ясна. Если обнаружится, что протон действительно нестабилен и распадается через 10 n лет (где n = 32), на g - квант и нейтрино, то Вселенная и будет представлять собой совокупность нейтрино и квантов света с убывающей энергией.
Иначе разворачивается сценарий в том случае, если протон стабилен. Тогда примерно через 1 0 n лет (где n = 6 5), любое твердое вещество превратиться даже при абсолютном нуле в жидкость. Все оставшиеся черные карлики станут жидкими каплями. Где-то через 1 0 n лет (где n = 1 500), любое вещество станет радиоактивным, а все жидкие капли - бывшие звезды станут железными. А черные дыры постепенно испаряются и превращаются в длинноволновое излучение. От грандиозной и разнообразнейшей Вселенной останутся только жидкие холодные железные капли!
Что же дальше? Пройдет невообразимое число лет, которое можно выразить числом 1 0 n (где n = 1 0 n ° , а n ° = 2 6), пока такие железные капли не превратятся в "черные дыры". Эти уже последние "черные дыры" за относительно небольшой промежуток времени 10 n лет (где n = 6 7) испарятся, превратив Вселенную в поток сверхдлинноволновых квантов и нейтрино малых энергий. Такое состояние - состояние окончательной "смерти" Вселенной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
