Эволюция Вселенной

СОДЕРЖАНИЕ 

  
Введение

Мир, Земля, Космос, Вселенная…

Тысячелетиями пытливое человечество обращало свои взгляды на окружающий мир, стремилось постигнуть его, вырваться за пределы микромира в макромир.

Величественная картина небесного  купола, усеянного мириадами звезд, с незапамятных звезд волновала  ум и воображение ученых, поэтов, каждого живущего на Земле  и зачарованного любующегося торжественной и чудной картиной.

Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и  вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной. И всё же исследования, проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес,  закрывающий от нас далекое прошлое.

Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом  Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был на столько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь, друг с другом.

 На протяжении десяти миллиардов  лет после  “большого взрыва”  простейшее бесформенное вещество  постепенно превращалось в атомы,  молекулы, кристаллы, породы, планеты.  Рождались звезды, системы, состоящие  из огромного количества элементарных  частиц с весьма простой организацией. На некоторых планетах могли возникнуть формы жизни.

1. Историческое развитие  представлений о Вселенной.

Еще на заре цивилизации, когда пытливый человеческий ум обратился к заоблачным высотам, великие философы мыслили свое представление о Вселенной, как о чем-то бесконечном. Древнегреческий философ Анаксимандр (VI в. до н.э.) ввел представление о некой единой беспредельности, не обладавшей ни какими привычными наблюдениями, качествами, первооснове всего – апейроне.

Стихии мыслились сначала как полуматериальные, полубожественные, одухотворенные субстанции. Представление чистоматериальной основе всего сущего в древнегреческой основе достигли своей вершины в учении атомистов Левкиппа и Демокрита (V-IV в.в. до н.э.) о Всленной, состоящей из бескачественных атомов и пустоты.

Древнегреческим философам принадлежит  ряд гениальных догадок об устройстве Вселенной. Анаксиандр высказал идею изолированности  Земли, в пространстве. Эйлалай первым описал пифагорейскую систему мира, где Земля как и Солнце обращались вокруг некоего «гигантского огня». Шаррообразность Земли утверждал другой пифагорец Парменид (VI-V в.в. до н.э.) Гераклид Понтийский (V-IV в до н.э.) утверждал так же ее вращение вокруг своей оси и донес до греков еще более древнюю идею египтян о том, что само солнце может служить центром вращение некоторых планет (Венера, Меркурий).

Французский философ и ученый, физик, математик, физиолог Рене Декарт (1596-1650) создал теорию о эволюционной вихревой модели Вселенной на основе гелиоцентрализма. В своей модели он рассматривал небесные тела и их системы в их развитии. Для XVII в.в. его идея была необыкновенно смелой. По Декарту, все небесные тела образовывались в результате вихревых движений, происходивших в однородной в начале, мировой материи. Совершенно одинаковые материальные частицы находясь в непрерывном движении и взаимодействии, меняли свою форму и размеры, что привело к наблюдаемому нами богатому разнообразию природы.

Великий немецкий ученый, философ  Иммануил Кант (1724-1804) создал первую универсальную концепцию эволюционирующей Вселенной, обогатив картину ее ровной структуры и представлял Вселенную бесконечной в особом смысле. Он обосновал возможности и значительную вероятность возникновение такой Вселенной исключительно под действием механических сил притяжения и отталкивания и попытался выяснить дальнейшую судьбу этой Вселенной на всех ее масштабных уровнях – начиная с планетной системных и кончая миром туманности.

Эйнштейн  совершил радикальную научную революцию, введя свою теорию относительности. Специальная или частная теория относительности Эйнштейна явилась результатом обобщения механики Галилея и электродинамики Максвелла Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения близких к скорости света.

Впервые принципиально новые космогологические  следствие общей теории относительности  раскрыл выдающийся советский математик  и физик – теоретик Александр  Фридман (1888-1925 гг.). Выступив в 1922-24 гг. он раскритиковал выводы Эйнштейна  о том, что Вселенная конечна и имеет форму четырехмерного цилиндра. Эйнштейн сделал свой вывод исходя из предположения о стационарности Вселенной, но Фридман показал необоснованность его исходного постулата.

Фридман привел две модели Вселенной. Вскоре эти модели нашли удивительно точное подтверждение в непосредственных наблюдениях движений далёких галактик в эффекте «красного смещения» в их спектрах.

В 1929 г. Хаббл открыл замечательную  закономерность которая была названная  «законом Хаббла» или «закон красного смещения»: линии галактик смещенных к красному концу, причем смещение тем больше, чем дальше находится галактика.

2. Начало Вселенной

Вселенная постоянно расширяется. Тот момент, с которого Вселенная  начала расширятся, принято считать  ее началом. Первую эру в истории вселенной называют  “большим взрывом” или английским термином Big Bang.

На  самом раннем этапе, в первые мгновения  “большого взрыва” вся материя  была сильно раскаленной  и густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы.

Под расширением Вселенной подразумевается  такой процесс, когда то же самое  количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий объём. На начальном этапе расширения Вселенной из фотонов рождались частицы и античастицы. Этот процесс постоянно ослабевал, что привело к вымиранию частиц и античастиц. Поскольку аннигиляция 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.

Адронная  эра. При очень высоких температурах и плотности в самом начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц. Вещество на самом раннем этапе состояло из адронов, и поэтому ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны.

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.

Лептонная эра. 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.

Фотонная  эра или эра излучения. 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.

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 (Er) падает быстрее, чем плотность энергии частиц (Em). 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 Er=Em). 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.

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 “большим взрыва” её развитие представляется как будто слишком замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры.

3. Рождение  сверхгалактик и скоплений галактик

Во время эры излучения продолжалось стремительное расширение космической материи, состоящей из фотонов, среди которых встречались свободные протоны или электроны и крайне редко - альфа-частицы. В период эры излучения протоны и электроны в основном оставались без изменений, уменьшалась только их скорость. С фотонами дело обстояло намного сложнее. Хотя скорость их осталась прежней, в течение эры излучения гамма-фотоны постепенно превращались в фотоны рентгеновские, ультрафиолетовые и фотоны света. Вещество и фотоны к концу эры остыли уже настолько, что к каждому из протонов мог, присоединится один электрон. При этом происходило излучение одного ультрафиолетового фотона (или же нескольких фотонов света) и, таким образом, возник атом водорода. Это была первая система частиц во Вселенной.

С возникновением атомов водорода начинается звездная эра - эра частиц, точнее говоря, эра протонов и электронов.

Вселенная вступает в звездную эру  в форме водородного газа с  огромным количеством  световых и  ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он образовывал огромные сгустки, во много миллионов световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Итак, крупнейшие структурные единицы Вселенной - сверхгалактики - являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной.

4. Рождение  галактик

Астрономические исследования показывают, что скорость вращения завихрения предопределила форму галактики, родившейся из этого  вихря. Выражаясь научным языком, скорость осевого вращения определяет тип будущей галактики. Из медленно вращающихся вихрей возникли эллиптические галактики, в то время как из быстро вращающихся родились сплющенные спиральные галактики.

В результате силы тяготения очень  медленно вращающийся вихрь сжимался в шар или несколько сплюнутый эллипсоид. Размеры такого правильного гигантского водородного облака были от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч световых лет. Нетрудно определить, какие из водородных атомов вошли в состав рождающейся эллиптической, точнее говоря эллипсоидальной галактики, а какие остались в космическом пространстве вне нее. Если энергия связи сил гравитации атома на периферии превышала его кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики. Это условие называется критерием Джинса. С его помощью можно определить, в какой степени зависела масса и величина протогалактики от плотности и температуры водородного газа.