Современные представления об эволюции Вселенной. Теория Большого взрыва и горячей Вселенной

 

 

Среди звездных термоядерных реакций  надо упомянуть прежде всего так называемый водородный цикл, приводящий к превращению водорода в гелий без участия посредников - катализаторов. Первичная реакция состоит в столкнове¬нии двух протонов p с образованием атомного ядра тяжелого изотопа водорода дейтрона 2H и испускания позитрона +e и нейтрино Ve . Дейтрон далее реагирует с протоном и образует легкий изотоп гелия 3He с испусканием гамма-кванта γ. Эта реакция весьма скоростная, поэтому дейтерий не накап¬ливается в сколько-нибудь заметных количествах. Легкий изотоп гелия 3He может взаимодействовать дальше двумя различными путями: либо два ядра 3He, сталкиваясь, образуют ядро основного изотопа гелия 4He и два протона p, либо изотоп 3He сталкивается с изотопом 4He и образует атомное ядро изотопа бериллия 7Be, которое распадается двумя способами, захватывая электрон или протон. B обоих случаях в конечном результате получается очень неустойчивый изотоп 8Be, мгновенно распадающийся на два устойчивых ядра гелия 4He. Ha схеме водородный цикл выглядит так:

Следующий цикл гелиевый, в его термоядерных реакциях участвуют атомные ядра 4He и для их протекания требуются температуры, превышающие 10^8 К. Такие условия создаются в звездах-гигантах на последних стадиях их эволюции, когда водород в результате термоядерных реакций водородного цикла превратился в гелий. При гелиевом цикле три атомных ядра гелия 4He (альфа-частицы) образуют устойчивое атомное ядро изотопа углерода 12C в резонансной реакции, когда энергия образующегося атомного ядра изотопа углерода 12C близка к сумме энергий исходной системы ядер 8Be, 4He. Таким образом, процесс идет в две стадии:

Мы видим, что во второй стадии атомное  ядро неустойчивого изотопа атома  бериллия 8Be захватывает третье ядро атома 4Не и образует вполне устойчивое атомное ядро изотопа углерода 12C. Это и есть наиболее замечательная особенность данной реакции, которая способствует появлению в нашей Галактике углерода, так необходимого для структуры всех растений и животных, обитающих на Земле. Углерод далее реагирует опять с гелием 4He и образует устойчивый изотоп атома кислорода 16O. B свою очередь, реакция гелия с кислородом образует ядро атома изотопа неона: 16O + 4He -* 20Ne. При достаточно высоких температурах таким путем можно дойти до образования ядер атомов изотопа кальция 40Ca. Ho здесь синтез очередного тяжелого изотопа кальция с участием альфа-частицы требует все более высоких температур, т.е. высоких энергий реагирующих атомных ядер, чтобы преодолеть возрастающий барьер потенциальной кулоновской энергии с ростом порядкового номера химического элемента  Z Поэтому более тяжелые химические элементы образуются, скорее всего, в реакциях с участием нейтронов, лишенных электрического заряда, а не заряженных микрочастиц.

B реакциях с нейтронами нет противодействующего влияния кулоновского потенциального барьера. В ядерной астрофизике различают два вида реакций с нейтронами: (1) реакции на медленных нейтронах и (2) реакции на быстрых нейтронах. Первые приводят к образованию атомных ядер примерно до устойчивого изотопа висмута 200Bi. Второй путь может привести к образованию самых тяжелых химических элементов Таблицы Менделеева-тория и урана (Th, U).

Следует указать, что в природе  наблюдается особенно низкая распространенность атомных ядер лития Li, бериллия Be и бора В, а также дейтрона 2H, поскольку они легко разрушаются при термоядерных реакциях. Кроме того, существует еще до 30 изотопов так называемых «обойденных» атомных ядер, которые не могут быть получены при медленном и быстром процессах захвата нейтронов. Это самые легкие изотопы тяжелых атомных ядер. Их существование заставляет ядерных астрофизиков искать процессы образования таких тяжелых атомных ядер, не связанные с захватом нейтронов.

Перейдем к рассмотрению второго из поставленных выше вопросов об антропном принципе. Хотя картина, которая складывается в связи с представлением о Большом взрыве и горячей Вселенной, охлаждающейся по мере своего расширения, на сегодняшний день согласуется с результатами почти всех наблюдений, ряд вопросов остается невыясненным. Английский ученый Хокинг указывает четыре таких важных вопроса:

 

1. Почему ранняя Вселенная была такой горячей?

2. Почему наша Вселенная так однородна и изотропна по среднему распределению в ней массы вещества?

3. Почему Вселенная идет по какому-то из трех возможных фридмановских путей эволюции?

4. Почему на фоне крупномасштабной однородности во Вселенной существуют неоднородности в виде звезд и галактик? Считается, что они образовались из-за небольших различий в плотности ранней Вселенной. Так что же было причиной флуктуаций этой плотности?

 

Теория тяготения Эйнштейна  сама по себе не может дать ответы на поставленные вопросы, ибо они «упираются»  в сингулярную точку большого взрыва, где была бесконечная по величине плотность материи, и поэтому невозможно предсказать, что выйдет из сингулярности. Все, что было до взрыва, не имеет как будто бы смысла и не может повлиять на то, что мы наблюдаем сегодня во Вселенной. Следуя

Хокингу, можно сформулировать антропный принцип, задавая себе вопрос: почему Вселенная такая, а не другая? И ответить на него так: «Мы видим Вселенную так, как мы ее видим, потому, что мы в ней существуем».

Следует помнить, что жизнь на Земле могла и не появиться, если энергия возбуждения уровня в атомном ядре изотопа углерода 12C была бы несколько иной, или же отношение массы покоя электрона к массе покоя протона другим, или электрической заряд электрона был бы чуть-чуть иным, другой по величине была бы постоянная Планка и т.д. Неизвестно, почему они такие, какими мы их знаем, но настанет день, когда мы сможем, создав единую теорию для всех сил природы, узнать, как они могут изменяться, и поэтому узнаем, каковы другие Вселенные, где нас нет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Использованная литература:

 

 

 

Вонсовский С.В.

Современная естественно - научная картина мира. – Екатеринбург: Изд-во Гуманитарного ун-та, 2005. – 680 с.