Откуда взялся исходный (затравочный) сгусток материи Вселенной? Ответ неизвестен, но один из возможных механизмов его возникновения даёт нам
квантовая механика – теория микромира. Основополагающим её принципом, доказанным экспериментом, является соотношение неопределённости Гейзенберга, утверждающее, что произведение неопределённости в энергии ΔЕ на неопределённость во времени Δt не может быть меньше, чем постоянная Планка h, фундаментальная константа природы, т.е. ΔЕ·Δt > h. Таким образом, в абсолютной пустоте в течение временнòго интервала Δt < h/ΔЕ возможно появление материи с массой Δm, определяемой соотношением Эйнштейна ΔЕ = Δm×с2. Чем короче этот временнòй интервал, тем бòльшая масса-энергия может возникнуть в пустоте. За интервал ~10−100 сек может возникнуть и масса-энергия, содержащаяся в видимой части нашей Вселенной в форме космологической субстанции с отрицательной гравитаций. Далее расталкивающая гравитация разбросает её Большим Взрывом. При этом сравнительно небольшая часть этой субстанции (5%) превратится в барионную материю с помощью механизма, который за недостатком времени мы здесь обсуждать не будем. Так, возможно, и родилась наша Вселенная. А как быть с законом сохранения энергии, ведь получается, что из ничего родилось огромное количество вещества? Ответ кроется в особенностях гравитационной энергии. Она отрицательна и в точности равна положительной энергии материи mc2, связанной с её массой. Поэтому полная энергия Вселенной (с учётом гравитационной) остается нулевой. Поразительно, но из пустоты может родиться огромная Вселенная. И это не противоречит законам физики!
Итак, будем считать, что природа Большого Взрыва и старта нашей Вселенной понята. Как дальше менялась наша Вселенная? Дадим краткую хронологию её преобразований. В самом начале, отстоящем от момента старта Большого Взрыва всего примерно на 10−36 − 10−35 сек, Вселенная подверглась колоссальному (за счёт невообразимо масштабной антигравитации) расширению минимум в 1030 раз (а не в сотню раз как в стандартной космологической модели). Скорость этого расширения пространства превышала скорость света. За этот ничтожный отрезок времени размер Вселенной увеличился больше, чем за все последующие 14 миллиардов лет. Температура Вселенной в этот момент достигала 1028 градусов К, т.е. в 1021 раз превышала температуру в недрах Солнца. В её составе в этот период были и элементарные частицы, в частности фотоны, нейтрино, электроны и кварки. Из электронов и кварков в дальнейшем сформировались атомы, составляющие основу барионной материи Вселенной. С течением времени Вселенная расширялась и охлаждалась, и в ходе этого процесса в однородной и горячей первичной космической плазме стали возникать вихри и скопления. Через 10-5 сек после Большого Взрыва Вселенная достаточно охладилась (примерно до 1013 градусов К, что в миллион раз больше температуры внутри Солнца) для того, чтобы из групп трёх кварков стало возможным образование протонов и нейтронов. Примерно через сотую долю секунды условия стали такими, что в охлаждающейся плазме элементарных частиц протоны и нейтроны уже могли объединиться в ядра будущих атомов некоторых лёгких элементов периодической таблицы. В течение следующих трёх минут, пока кипящая Вселенная охлаждалась примерно до 109 градусов К, основная доля образовавшихся ядер приходилась на ядра водорода и гелия и включала небольшую добавку дейтерия («тяжёлого» водорода) и лития. Этот период времени получил название периода первичного нуклеосинтеза.
Затем в течение нескольких сотен тысяч лет было мало событий, кроме дальнейшего расширения и охлаждения. Но в конце этого этапа (примерно к 400 000 году), когда температура упала примерно до 3000 К, летавшие до этого с бешенной скоростью электроны, замедлились до скорости, позволяющей атомным ядрам (в основном водорода и гелия) захватить их, образуя электрически нейтральные атомы. Это явилось поворотным моментом: начиная с него Вселенная, в общем и целом становится прозрачной. До эры захвата электронов она была заполнена плотной плазмой электрически заряженных частиц, одни из которых (например, ядра) несли положительный заряд, а другие (например, электроны) – отрицательный. Фотоны, взаимодействующие лишь с заряженными частицами, испытывали постоянные удары со стороны кишащих заряженных частиц и не могли пролететь достаточно далеко, не будучи отклонёнными или поглощёнными этими частицами. Из-за таких препятствий свободному движению фотонов, Вселенная предстала бы перед наблюдателем совершенно непрозрачной, подобной густому утреннему туману или снежной буре. Но когда отрицательно заряженные электроны были рассажены по орбитам вокруг положительно заряженных ядер и образовались электрически нейтральные атомы, препятствия исчезли и густой туман рассеялся. С этого момента фотоны от Большого Взрыва стали свободно путешествовать по Вселенной, и постепенно она полностью стала доступной взору. Эти фотоны, являющиеся по существу отблеском Большого Взрыва (эхом сотворения мира), практически беспрепятственно дошли и до наших дней, охладившись в расширяющейся Вселенной примерно в 1000 раз (от температуры 3000 К в момент их «освобождения» до температуры около 3 К в настоящую эпоху). Во столько же раз упала их энергия и возросла длина волны. Теперь она исчисляется миллиметрами, и такие фотоны относятся к электромагнитному излучению микроволнового радиодиапазона. Их много – примерно 400 в одном см3 – и они практически однородно заполняют всю Вселенную. Если бы наши глаза были чувствительны к микроволнам, мы увидели бы рассеянное свечение вокруг нас. Часть «снега» на экране телевизора, когда Вы переключаетесь на канал, на котором закончилось вещание, объясняется именно этим свечением Большого Взрыва. Рассматривая это свечение, называемое реликтовым космическим излучением, не испытавшим никаких существенных изменений с момента своего освобождения (кроме увеличения длины волны), мы узнаём, как выглядела Вселенная почти 14 миллиардов лет назад (всего лишь через 400 тысяч лет после Большого Взрыва), Только осознайте это поразительное обстоятельство! Реликтовое излучение даёт нам фотографию ранней Вселенной, когда ещё не сформировались звёзды и галактики!
Примерно миллиард лет спустя, когда Вселенная достаточно успокоилась после неистового начала, из сжатых ньютоновской гравитацией комков первичных лёгких химических элементов (главным образом – водорода и гелия) сформировались первые галактики, звёзды, а затем и планеты. Ядерные реакции в звёздах привели к генерации всех остальных химических элементов вплоть до самых тяжёлых (уран). Наше Солнце загорелось примерно через 9 миллиардов лет после Большого Взрыва. И сегодня, через 14 миллиардов лет после Большого Взрыва, мы можем восхищаться как величием космоса, так и нашей способностью построить разумную и экспериментально проверяемую теорию происхождения Вселенной. Нужно особо подчеркнуть, что понять биографию Вселенной, особенно момент рождения и самые ранние её периоды невозможно без знания физики микромира – физики элементарных частиц и атомного ядра. Таким образом, на примере самого грандиозного явления природы – окружающей нас Вселенной – мы видим фундаментальное единство физических законов, проявляющееся в единстве микромира и макрокосмоса.
Отметим ещё два обстоятельства. За счёт стремительного ( со сверхсветовой скоростью) и гигантского (минимум в 1030 раз) взрывного расширения Вселенной в самый ранний период её существования (10-36-10−35 сек), вызванного мощной антигравитацией вакуумоподобной субстанции экстремально высокой плотности, размер Вселенной намного превысил размер видимого горизонта, определяемого расстоянием, которое свет прошёл за время жизни Вселенной. Бòльшую часть Вселенной поэтому мы не видим, хотя с каждой секундой горизонт нашей видимости расширяется со световой скоростью.
На сакраментальный вопрос «Сколько звёзд на небе?» современная космология может дать ответ с точностью до фактора 10. Ограничиваясь видимой частью Вселенной, он выглядит так: мы наблюдаем примерно 100 миллиардов галактик, а в средней галактике содержится примерно 100 миллиардов звёзд. Поэтому число звёзд −в наблюдаемой Вселенной можно оценить как
100 млрд×100 млрд = 1011×1011 =1022.
Если всё будет развиваться так, как это мы наблюдали до сих пор, то дальнейшая судьба нашей Вселенной не выглядит оптимистично. Попытаемся проследить судьбу барионной материи, т.е. атомов, из которых состоим мы, планеты, звёзды, галактики (о судьбе неизученной тёмной материи говорить преждевременно). Сначала погаснут звёзды, так как запасы ядерной материи, из которой может возникнуть звезда, будут, в конце концов, исчерпаны. «Звёздный» этап Вселенной завершится через ≈1014 лет. Через 1018-1019 лет прекратят своё существование галактики. Около 90% звёздной (барионной) материи галактик будет рассеяно в межгалактическом пространстве, а около 10% будет затянуто в чёрные дыры. Последние будут сливаться и, в конце концов, на месте каждой галактики останется одна сверхмассивная чёрная дыра.
Рассеянная барионная (главным образом, ядерная) материя исчезнет за счёт распада внутриядерных протонов и нейтронов. Этот медленный процесс, предсказываемый теорией, закончится через 1033-1035 лет. Продуктами этого распада являются электроны, позитроны, фотоны и нейтрино.
Из тяжёлых объектов во Вселенной останутся только сверхмассивные галактические чёрные дыры. Они будут объединяться в ещё более массивные супергалактические чёрные дыры. И, наконец, они сами будут испаряться. Этот процесс (его существование предсказал английский теоретик Хокинг) крайне медленный и завершится, возможно, через 10100 лет. При этом во Вселенной останется, главным образом, сильно разреженный газ электронов, позитронов, фотонов и нейтрино – тёмная и предельно остывшая пустыня.
astrolab » 15 авг 2017, 23:48 
