Большой взрыв
Большой взрыв
БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ, Темные ДЫРЫ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ
В модели Фридмана 4-ое измерение Вселенной — время, — как и место, имеет ограниченную протяженность. Оно подобно отрезку, имеющему два конца либо две границы. Так что у времени есть конец и есть начало. Практически все решения уравнений Эйнштейна, приобретенные для того количества материи, которое мы смотрим во Вселенной, имеют одну очень важную общую характеристику: некогда в прошедшем (примерно 13,7 млрд годов назад) расстояние меж примыкающими галактиками должно было приравниваться нулю. Другими словами, вся Вселенная была сжата в точку нулевого размера, сферу с нулевым радиусом. Плотность Вселенной и кривизна места времени должны были тогда быть нескончаемыми. Этот момент мы называем Огромным Взрывом.
Все наши космологические теории основаны на предположении, что место время гладкое и практически плоское. Это значит, что все данные теории нарушаются в момент Огромного Взрыва, ведь место время нескончаемой кривизны тяжело именовать практически плоским! Таким макаром, если что то и предшествовало Большенному Взрыву, оно не даст ключа к осознанию того, что случилось позднее, так как предсказуемость нарушается в момент Огромного Взрыва. Аналогично, зная только то, что случилось после него, мы не можем найти, что было ранее. Действия, предшествовавшие Большенному Взрыву, не могут иметь никаких последствий для нас и потому не должны приниматься в расчет при научном описании Вселенной. Мы должны исключить их из собственной модели и считать, что Большой Взрыв был началом времени. Вопрос о том, кто сделал условия для Огромного Взрыва, и другие подобные вопросы не являются научными.
Очередной нескончаемой величиной во Вселенной нулевых размеров должна быть температура. Считается, что в момент Огромного Взрыва Вселенная была нескончаемо жаркой. В процессе ее расширения температура излучения снижалась. И так как температура является мерой средней энергии — либо скорости — частиц, остывание Вселенной должно было иметь суровые последствия для материи. При очень больших температурах быстрое движение частиц препятствовало их обоюдному притяжению под действием ядерных либо электрических сил, но с снижением температуры частички стали притягиваться и соединяться вместе. Даже типы имеющихся во Вселенной частиц зависят от ее температуры, а означает, и от возраста.
Аристотель не веровал, что вещество состоит из частиц. Он считал, что материя является непрерывной. По Аристотелю ее можно нескончаемо разделять на все наименьшие и наименьшие части и никогда не наткнуться на неразделимую «крупицу». Но некие древнегреческие мыслители, к примеру Демокрит, задумывались, что материи присуща «зернистость» и что все в природе состоит из большого числа атомов различного вида. (Слово «атом» значит в переводе с греческого «неделимый».) Мы сейчас знаем, что это верное представление — по последней мере, в окружающей нас среде и при сегодняшнем состоянии Вселенной. Но атомы нашей Вселенной существовали не всегда, они не являются неразделимыми и представляют собой только маленькую часть всего контраста частиц во Вселенной.
Атомы состоят из частиц наименьшего размера: электронов, протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, построены из еще больше маленьких частиц, именуемых кварками. Не считая того, каждому типу субатомных частиц соответствуют античастицы. Они имеют такую же массу, но обратный электронный заряд и другие свойства. К примеру, античастица электрона, именуемая позитроном, имеет положительный заряд, обратный отрицательному заряду электрона. Может быть, есть целые антимиры и антилюди, состоящие из античастиц. Но же, если частичка и античастица повстречаются, они взаимно уничтожаются. Так что, если вам доведется повстречать свое анти я, не обменивайтесь с ним рукопожатием! Вы оба исчезнете в ослепительной вспышке света.
Световую энергию переносят частички другого типа — безмассовые фотоны. Для Земли наиблежайшим и наикрупнейшим поставщиком фотонов служит ядерное пекло Солнца. Оно в обилии поставляет и другие частички — упоминавшиеся выше нейтрино (и антинейтрино). Но эти последние, будучи очень легкими, практически не ведут взаимодействие с веществом и поэтому проходят через нас млрд каждую секунду, не производя никакого эффекта. Отлично понятно, что физики нашли 10-ки типов простых частиц. Во Вселенной, претерпевающей сложные эволюционные конфигурации, набор этих частиц тоже эволюционировал. Эта самая эволюция сделала вероятным появление планет, схожих нашей, и живых созданий, схожих нам.
Через секунду после Огромного Взрыва Вселенная расширилась довольно, чтоб ее температура свалилась примерно до 10 млрд градусов Цельсия. Это в тыщу раз больше, чем в центре Солнца, но подобные температуры отмечались при взрывах водородных бомб. В то время во Вселенной присутствовали приемущественно фотоны, электроны, нейтрино и их античастицы, также еще наименьшее число протонов и нейтронов. Тогда частички обладали так высочайшей энергией, что, сталкиваясь, порождали огромное количество разных пар частичка—античастица. К примеру, столкновение фотонов могло породить электрон и его античастицу, позитрон. Некие из таких вновь появившихся частиц, сталкиваясь со своими близнецами античастицами, аннигилировали. Каждый раз, когда электрон встречается с позитроном, они уничтожаются, но оборотный процесс не так прост. Для того чтоб две безмассовые частички, такие как фотоны, могли породить пару частичка—античастица, к примеру электрон и позитрон, безмассовым частичкам нужно владеть некой малой энергией. Электрон и позитрон имеют массу, и эта вновь создаваемая масса должна порождаться энергией сталкивающихся частиц. Так как Вселенная продолжала расширяться и температура снижалась, столкновения частиц, владеющих достаточной энергией для рождения электрон позитронных пар, случались все пореже. Еще почаще происходило взаимоуничтожение пар (рис. 20). В конечном счете б о льшая часть электронов и позитронов аннигилировали вместе, произведя огромное количество фотонов и оставив относительно не достаточно электронов. Нейтрино и антинейтрино, которые ведут взаимодействие меж собой и с другими частичками очень слабо, уничтожали друг дружку не так стремительно. Они и сейчас должны еще находиться вокруг нас. Если б мы могли следить их, это послужило бы неплохим доказательством для описанной чуть повыше картины жаркой юный Вселенной. К огорчению, энергия этих частиц в текущее время очень мала, чтоб следить их конкретно (хотя, может быть, их получится найти косвенно).
Примерно через 100 секунд после Огромного Взрыва Вселенная остыла до 1-го млрд градусов — температуры недр самых жарких звезд. В этих критериях энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для преодоления сильного ядерного взаимодействия. Они начинают соединяться, образуя ядра дейтерия (томного водорода), которые содержат один протон и один нейтрон.
Ядра дейтерия могут потом, присоединяя протоны и нейтроны, перевоплотиться в ядра гелия, состоящие из пары протонов и пары нейтронов, также породить некое количество ядер 2-ух более томных частей — лития и бериллия. Можно подсчитать, что согласно теории жаркой Вселенной около четверти протонов и нейтронов соединяются воединыжды в ядра гелия при сохранении маленького количества томного водорода и других частей. Другие нейтроны в итоге распада преобразуются в протоны — ядра обыденных атомов водорода.
Эта картина жаркой Вселенной была в первый раз предложена Джорджем Гамовым в известной работе, написанной в 1948 г. в соавторстве с его учеником Ральфом Альфером. Гамова отличало недюжинное чувство юмора: он добавил к списку создателей имя ученого ядерщика Ханса Бете, чтоб вышло: Альфер, Бете, Гамов, наподобие первых 3-х букв греческого алфавита (альфа, бета, палитра), — очень уместно для статьи о зарождении Вселенной. В упомянутой работе создатели сделали замечательное пророчество, что излучение (в форме фотонов), возникшее на исходных, жарких стадиях развития Вселенной, должно сохраниться до наших дней, но его температура должна быть всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. (Абсолютным нулем считается температура —273°С, при которой вещество не обладает никакой термический энергией. Таким макаром, это самая низкая из вероятных температур.)
Конкретно это микроволновое излучение нашли Пензиас и Вильсон в 1965 г. Когда Альфер и Гамов выпустили свою статью, о ядерных реакциях меж протонами и нейтронами было понятно достаточно не достаточно. Потому пророчества соотношений разных частей в ранешней Вселенной оказались достаточно ориентировочными. Потом, когда вычисления были повторены с учетом новых, более четких, данных, оказалось, что результаты прекрасно согласуются с наблюдениями. Остается добавить, что очень тяжело отыскать другое разъяснение тому, почему конкретно четверть массы Вселенной приходится на долю гелия.
Рис. 20. Равновесие фотонов и электрон позитронных пар.
В ранешней Вселенной наблюдалось равновесие меж образованием фотонов при столкновении электронов и позитронов и оборотным процессом. По мере того как Вселенная остывала, баланс был нарушен в пользу образования фотонов. Равномерно большая часть электронов и позитронов аннигилировали вместе, и электронов осталось относительно не достаточно.
И все таки описанная картина порождает ряд заморочек. Длительность ранешних шагов эволюции в модели Огромного Взрыва недостаточна для того, чтоб тепло успело распространиться из одной области жаркой Вселенной в другую. Это значит, что в исходном состоянии Вселенная должна была во всех местах иметь строго схожую температуру, — по другому никак не разъяснить схожую температуру микроволнового фона во всех направлениях. Не считая того, исходная скорость взрыва должна была оказаться с ювелирной точностью подобранной, чтоб расширение шло на самой грани критичного режима, еще позволяющего избежать схлопывания. Очень тяжело разъяснить, почему Вселенная зародилась конкретно в таком состоянии, если не полагать вмешательства Бога, который намеревался сделать созданий вроде нас.