Модель большого взрыва и хронология вселенной

Когда в ходе расширения температура излучения понизилась примерно до 1010 К, лептонные пары перестали рождаться, почти все позитроны и электроны аннигилировали; остались лишь нейтрино и антинейтрино, фотоны и немного сохранившихся с предшествующей эпохи протонов и нейтронов. Так завершилась лептонная эра.

Следующая фаза расширения – фотонная эра – характеризуется абсолютным преобладанием теплового излучения. На каждый сохранившийся протон или электрон приходится по миллиарду фотонов. Вначале это были гамма-кванты, но по мере расширения Вселенной они теряли энергию и становились рентгеновскими, ультрафиолетовыми, оптическими, инфракрасными и, наконец, сейчас стали радиоквантами, которые мы принимаем как чернотельное фоновое (реликтовое) радиоизлучение.

 Первое подтверждение факта  взрыва пришло в 1964 году, когда  американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение с температурой около 3° по шкале Кельвина (–270°С).

 Именно это открытие, неожиданное  для ученых, убедило их в том, что Большой взрыв действительно  имел место и поначалу Вселенная  была очень горячей.

Теория Большого взрыва позволила объяснить множество проблем, стоявших перед космологией. Но, к сожалению, а может, и к счастью, она же поставила и ряд новых вопросов. Все это указывало на то, что теория Большого взрыва неполна.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ВСЕЛЕННОЙ СОГЛАСНО ТЕОРИИ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА

Для анализа жизненного пути вселенной такие ученые, как Фред Адаме и Грег Лафлин из Мичиганского университета, попытались разделить срок жизни вселенной на этапы (рис.4).

Рисунок 4 – Этапы развития Вселенной

- Августинская эпоха. Эта эпоха включает в себя состояние вселенной «до» и в момент Большого Взрыва. О данном этапе развития мира ничего толком не известно — существуют лишь гипотезы — так как современные физические теории не могут описать события до «планковской эпохи». Учёные знают лишь то, что в самом конце данной эры произошёл Большой взрыв — внезапано началось расширение пространства. К началу этого поистине грандиозного события, Вселенная была заточена в очень маленькую точку, обладая бесконечными плотностью и температурой, т.е. находилась в состоянии «космологической сингулярности».

- Планковская эпоха. Это самый ранний этап развития Вселенной, о котором существуют какие-либо теоретические предположения и описания. Данная фаза началась сразу после большого Взрыва и длилась в течение т.н. «планковского времени» от 0 до 10-43 секунд после рождения Вселенной. В то время (происходило чёрт знает что) размеры Вселенной были очень малы. Настолько, что квантовые эффекты — явления, происходящие с частицами — преобладали над физическими взаимодействиями. Вселенная в эту эпоху также обладала планковской температурой (1032 Кельвинов), энергией (1019 миллиардов электронвольт), радиусом (10-35 метров, что равно планковской длине) и плотностью (1097 кг/м3). Все четыре типа взаимодействия частиц и состоящих из них тел (их ещё называют «фундаментальными») — сильное ядерное и слабое ядерное, электромагнитное, гравитационное — были тогда неотличимы друг от друга и объединены. Но так длилось недолго. Всему помешала очень высокая температура и плотность материи.

- Эпоха великого объединения. Эта фаза развития Вселенной началась с 10-43 секунд и завершилась спустя 10-35 секунд после Большого Взрыва. В самом её начале произошёл фазовый переход материи (схожий на конденсацию жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам). Это случилось из-за отделения гравитации от «единого фундаментального взаимодействия».

Эпоха Великого объединения закончилась очередным разделением. Вселенная охладилась до отметки в 1028 Кельвинов и сильное взаимодействие стало самостоятельным. Теперь только электромагнитные и слабые ядерные силы представляли единое целое.

- Инфляционная стадия. Фаза инфляции расположена на временной шкале между 10-35 и 10-32 секунд после Большого Взрыва. В ту эпоху Вселенная увеличила свои размеры во множество раз. Раньше радиус всего мира был равен «планковской длине», а теперь космос расширился до размеров аж целого апельсина. И далее продолжал разрастаться с ускорением.

Образовалось несколько видов частиц. Это были кварки (фундаментальные частицы, из которых состоят адроны — например, протоны и нейтроны), электроны, гипероны и нейтрино (нейтральные фундаментальные частицы из класса лептонов).

Через некоторое время температура Вселенной снизилось, благодаря чему произошёл еще один фазовый переход. Из-за этого случилось т.н. «нарушение СР-инвариантности» и начались первые процессы такого явления, как «бариогенезис».

- Бариогенезис — это объединение кварков и глюонов в новые, составные частицы — адроны. Кроме того, возникла ещё и загадочная «барионная асимметрия Вселенной» — преобладание материи над анти-материей. Ученые до сих пор не смогли объяснить причины её возникновения. Помимо выше написанного, у физиков и космологов есть предположения, что в данную эру Вселенная прошла через несколько циклов повторных нагревании и охлаждении.

К концу эпохи инфляции, строительным материалом Вселенной стала плазма из кварков, анти-кварков и глюонов (переносчиков сильного взаимодействия). Дальнейшее снижение температуры Вселенной привело к очередному фазовому переходу. Он заключается в образовании физических сил, фундаментальных взаимодействий и элементарных частиц в их современной форме.

Данный фазовый переход уместился аж в три эпохи и закончился «первичным нуклеосинтезом».

- Электрослабая эпоха. Между 10-32 и 10-12 секунд после рождения мироздания. Электромагнитное и слабое взаимодействия до сих пор представляли единое электрослабое, т.к. температура Вселенной всё еще очень высока. тогда появились бозоны Хиггса (те самые которые 3 года назад нашли на Большом Андронном Коллайдере), W — и Z — базоны.

Помимо новых экзотических частиц и кварк-глюонной плазмы, космос был заполнен фотонами (фундаментальными частицами, или квантами, электромагнитного излучения) и лептонами.

- Эпоха кварков. Данная фаза расположена в период от 10-12 до 10-6 секунд после Большого Взрыва. Тогда случилось нарушение «электрослабой симметрии». Теперь все фундаментальные взаимодействия существуют отдельно друг друга. В кварковой эпохе температура и энергия всё ещё слишком высоки, чтобы кварки окончательно слились в адроны. Знаменательное превращение произойдёт только на следующем этапе развития мира.

- Эпоха Адронов. Между 10-6 и 100 секунд после рождения Вселенной. Наконец-то кварк-глюонная плазма охладилась до такой степени, что бариогенезис завершился и на свет появились адроны и антиадроны. Однако большинство из этих частиц аннигилировали (взаимоуничтожаются). Сохранился лишь их малый остаток. Вскоре Вселенная охладилась и расширилась настолько, что её температуры хватило всего лишь на создание лептонов и антилептонов. Эти частицы быстро становятся преобладающей массой во Вселенной.

- Эпоха Лептонов. В период от 100 секунд до 3 минут после Большого Взрыва расположилась эпоха лептонов. Тогда Вселенная стала прозрачной для нейтрино. Космос продолжает охлаждаться. В конце эпохи температура снизилась до отметки, при которой образование новых лептонов стало невозможным. И пар «лептон-антилептон» настигает участь адронов. Большинство из них взаимоуничтожаются. Во вселенной осталось совсем небольшое количество лептонов, благодаря чему наступило доминирование фотонов.

- Эпоха Нуклеосинтеза. Одновременно с эпохой лептонов шёл и данный этап истории Вселенной. Благодаря достаточному охлаждению материи, выжившие адроны объединились в атомные ядра тяжелее водорода. Этот процесс и называют «первичным нуклеосинтезом». В течение данной фазы возник первичный состав звёздного вещества: 75% водорода, почти 25% гелия, немного лития, дейтерия и бора.

- Протонная Эра. Началась с 3 минут после Большого взрыва и окончилась через 380.000 лет. Вещество стало доминировать над излучением. В конце эпохи произошла рекомбинация (процесс, обратный ионизации) водорода. Из-за дальнейшего снижения температуры и расширения Вселенной, гравитация стала доминирующей силой.

Спустя 379.000 лет после Большого Взрыва, при температуре Вселенной в 3000 Кельвинов, произошло знаменательное событие — ядра атомов и электроны объединились в первые атомы. Началась «первичная рекомбинация». Это был поворотный момент: материя перешла из плазмы, непрозрачной для электромагнитного излучения в газообразное состояние. Вселенная наконец-то стала прозрачной.

В прошлые 379.000 лет фотоны страдали как могли. Различные заряженные элементарные частицы, коих раньше было вагон и маленькая тележка, препятствовали свету. Кванты света с ними взаимодействовали, из-за чего испытывали постоянные «пинки» и «толчки» со стороны «собратьев». Фотоны всё время отклонялись, либо поглощались заряженными частицами. В итоге, свет очень сильно рассеивался. Если бы наблюдатель попал в эту эпоху, он бы увидел перед собой один лишь густой туман. Фотоны, как известно, взаимодействуют только с положительно и отрицательно заряженными частицами. И в конце «протонной эры» кванта света наконец-то обернулась удача. Отрицательные электроны и положительные протоны сгруппировались вместе с нейтронами в нейтрально заряженные атомы. Благодаря новым составным частицам, фотоны смогли свободно двигаться в пространстве и почти не взаимодействовать с веществом. Реликтовое излучение и есть те самые фотоны, испущенные плазмой в сторону будущего расположения Земли и в связи с рекомбинацией избежавшие рассеяния. Они и до сих пор достигают нас, преодолевая расширяющееся пространство.

- Тёмные века. Наступили сразу после «протонной эры» и продлились 550 млн. лет. Вселенная настолько остыла, что после протонной эры, когда она переливалась красными оттенками, космос был ввергнут в черноту.

Это была скучная эпоха полной тьмы. Источников света (звезд или галактик) не было. Планет и астероидов уж подавно. Космос был заполнен преимущественно водородом, гелием и микроволновым реликтовым излучением.

- Реионизация. Часть истории Вселенной, которая началась сразу после Тёмных Веков и длилась 250 миллионов лет. По сравнению с прошлой, данная эра была повеселее и красочнее.

Начали образование кластеры — обособленные скопления пыли межзвёздного газа, которые возникали благодаря силам притяжения. Первыми плотными объектами стали квазары. Потом вспыхнули первые звёзды, появились газопылевые туманности. Под силой гравитации они объединились в звёздные скопления, те — в галактики. Последние сформировали собственные скопления и сверхскопления.

Тогда, в недрах звёзд, в больших количествах образовались тяжелые элементы. Взрывы сверхновых разнесли их по Вселенной, из которых после сформировались холодные планеты, астероиды, метеорные тела, и, в конце концов, живые организмы.

- Эра вещества. Начиная с 800 миллионов лет после Большого Взрыва. Данная Эпоха идёт до сих пор.

Через несколько миллиардов лет после «реионизации» началось формирование планет и планетарных систем, в том числе и Солнечной Системы. Чуть более 8.4 миллиардов лет после Большого взрыва сформировалась Земля, а через ещё 500 миллионов лет на ней возникла жизнь.

Спустя 13.7 миллиардов лет после рождения Вселенной появились первые люди. Пройдет ещё пара миллионов лет и их потомки — представители вида Homp Sapiens — изобретут автомобили и самолёты, разработают релятивистскую и квантовую физику, освоят атомную энергию, исследуют ближайшие окрестности Вселенной, создадут Интернет, напишут эту стать.

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В заключение хотелось бы отметить большую роль вопроса о Теории Большого Взрыва которая показывает нам эволюцию Вселенной в целом, от первых секунд после ее возникновения до образования Земли

Мы живем в эпоху поразительных научных открытий и великих свершений. Самые невероятные фантазии неожиданно быстро реализуются. С давних пор люди мечтали разгадать тайны Галактик, разбросанных в беспредельных просторах Вселенной. Приходится только поражаться, как быстро наука выдвигает различные гипотезы и тут же их опровергает.  Однако астрономия не стоит на месте: появляются новые способы наблюдения, модернизируются старые. 

Но все же остаются много неразрешенных вопросов на которые мы пока не в состоянии дать ответ. Законченная теория возникновения Вселенной пока еще не создана, космология при всех ее успехах отнюдь не завершена. Что дает нам дополнительный стимул в изучении данной науки и более глубокого познания происхождения Вселенной и всего что ее наполняет, человека в частности.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Самсонов А.Л. «Концепция эволюционизма и теория Большого взрыва» - «Экология и жизнь», №1,2000г.

2.  Хокинг С. От Большого взрыва до черных дыр (краткая история времени). – М., Мир, 1990. 4 Баренбаум А.А. Галактика. Солнечная система. Земля. М., 2002. – 234 с.5

3. Лидсей Дж.Э. Рождение Вселенной / Пер. с англ. М.: Весь Мир, 2005.

4.  В.В. Кесарев. Эволюция вещества во вселенной. М., 2006.

5. Концепции современного естествознания: учеб. пособие/ А.П. Садохин. – 3-е изд., стер. – М.: Издательство «Омега», 2008 г.

6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Большой_взрыв - Википедия «Большой взрыв»

7. http://enc-dic.com/enc_sovet/Vselennaja-5945/ - Большая Советская энциклопедия

8. http://children.claw.ru/zemlja-i-vselennaja/enciklopedija-zemlja-i-vselennaja.html - Энциклопедия «Земля и Вселенная»

9. http://femto.com.ua/articles/part_1/0604.html - Физическая энциклопедия