Теория большого взрыва



Теория большого взрыва

В нулевой момент времени Вселенная возникла из сингулярности. В течение первой миллионной доли секунды, когда температура значительно превышала 1012К, а плотность была немыслимо велика. Мы можем лишь размышлять над тем, каковы были те первые мгновения; например, возможно, что четыре фундаментальные силы природы были вначале слиты воедино. Однако есть основания полагать, что к концу первой миллионной доли секунды уже существовал первичный «бульон» богатых энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества. Эта самовзаимодействующая масса находилась в состоянии так называемого теплового равновесия. В те первые мгновения все имевшиеся частицы должны были непрерывно возникать и аннигилировать. Любая материальная частица имеет некоторую массу, и поэтому для ее образования требуется наличие определенной «пороговой , энергии»; пока плотность энергии фотонов оставалась достаточно высокой, могли возникать любые частицы. В условии сверхплотного состояния материи, характерного для раннего этапа жизни Вселенной, частицы и античастицы должны были тотчас же после своего рождения снова сталкиваться, превращаясь в гамма-излучение. Это взаимное превращение частиц в излучение и обратно продолжалось до тех пор, пока плотность энергии фотонов превышала значение пороговой энергии образования частиц. Когда возраст Вселенной достиг одной сотой доли секунды, ее температура упала примерно до 1011К, став ниже порогового значения, при котором могут рождаться протоны и нейтроны, но некоторые из этих частиц все-таки избежали взаимной аннигиляции со своими античастицами — иначе в современной нам Вселенной не было бы вещества! Через 1 с после Большого взрыва температура понизилась примерно до 1010К, и нейтрино, по существу, перестали взаимодействовать с веществом: Вселенная стала практически прозрачной для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова, но примерно через 10с уровень плотности энергии излучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение в катастрофическом процессе взаимной аннигиляции, оставив после себя лишь незначительное количество электронов, достаточное, однако, для того, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной. В окружающей нас части Вселенной вещества несравнимо больше, чем антивещества, которое лишь изредка встречается в виде отдельных античастиц. Не исключено, конечно, что на ранней стадии эволюции Вселенной в ней были области, где доминировало вещество, и области с преобладанием антивещества — в этом случае возможно существование звезд и целых галактик, состоящих из антивещества; на больших расстояниях они были бы неотличимы от привычных нам звезд и галактик из вещества. Однако у нас нет никаких свидетельств в пользу этого предположения, поэтому более разумным кажется считать, что с самого начала возник небольшой, но заметный дисбаланс частиц и античастиц. В настоящее время разрабатывается ряд теорий, в которых такой дисбаланс находит вполне естественное объяснение. Через 3 мин после Большого взрыва температура Вселенной понизилась до 109К и возникли подходящие условия для образования атомов гелия: на это были затрачены практически все имевшиеся в наличии нейтроны. Спустя примерно еще минуту почти все вещество Вселенной состояло из ядер водорода и гелия, находившихся примерно в той же количественной пропорции, какую мы наблюдаем сегодня. Начиная с этого момента, расширение первичного огненного шара происходило без существенных изменений до тех пор, пока через 700000 лет электроны и протоны не соединились в нейтральные атомы водорода, тогда Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения — возникло то, что сейчас наблюдают как реликтовое фоновое излучение. После того как вещество стало прозрачным для электромагнитного излучения, в действие вступило тяготение: оно начало преобладать над всеми другими взаимодействиями между массами практически нейтрального вещества, составлявшего основную часть материи Вселенной. Тяготение создало галактики, скопления, звезды и планеты — все эти объекты образовались из первичного вещества, которое, в свою очередь, выделилось из быстро остывавшего и терявшего плотность первичного огненного шара; тяготению же предстоит определить путь эволюции и исход жизни всей Вселенной в целом. Есть два основных взгляда на проблему формирования галактик. Первый состоит в том, что в любой момент времени в расширяющейся смеси вещества и излучения могли существовать случайно распределенные области с плотностью выше средней. В результате действия сил тяготения эти области сначала отделились в виде очень протяженных сгустков вещества, в которых затем начался процесс фрагментации, приведший к образованию облаков меньших размеров, которые позднее превратились в скопления и отдельные галактики, наблюдаемые сегодня. Далее в этих меньших — галактических размеров — сгустках опять-таки под действием притяжения в случайных неоднородностях плотности началось формирование звезд. Существует и другая точка зрения на ход развития событий: вначале из флуктуаций плотности в расширяющемся первичном шаре сформировались многочисленные (малые) галактики, которые с течением времени объединились в скопления, в сверхскопления и, возможно, даже в более крупные иерархические структуры. Согласно общепринятой точке зрения, микроволновое фоновое излучение дает нам информацию о той эпохе, когда возраст Вселенной насчитывал примерно 700 000 лет, чему соответствует красное смещение около 1000. Самый далекий от нас квазар имеет смещение 3,6, т.е. наблюдаемый свет этого квазара был испущен им, когда возраст Вселенной составлял чуть меньше 2 млрд. лет. В промежутке времени от 700 000 до 2 млрд. лет во Вселенной должно было произойти многое, в том числе сформировались галактики. Тем не менее, последние данные, скорее всего, свидетельствует в пользу второй из двух упомянутых выше гипотез, согласно которой образование галактик предшествовало формированию скоплений и сверхскоплений.

Будущее Вселенной

Вне всякого сомнения, именно гравитационное взаимодействие определит дальнейший ход событий. Достаточно ли во Вселенной вещества для того, чтобы силы тяготения в конечном счете остановили процесс расширения и заставили галактики вновь начать падать друг на друга, в результате чего Вселенная закончила бы свое существование в неком «Большом сжатии». Или же наоборот. Вселенная будет расширяться бесконечно? Процесс расширения Вселенной можно рассматривать, используя уже знакомое нам понятие скорости убегания. Можно допустить, что на галактику, расположенную у края выбранной нами области, действуют силы притяжения только со стороны вещества, находящегося внутри выбранной сферы. Если это вещество распределено равномерно, то галактика будет притягиваться к центру сферы так, как если бы там была сосредоточена вся заключенная внутри сферы масса. В своем движении относительно центра сферы эта «пробная» галактика должна вести себя, как снаряд, выпущенный «наружу» из этой точки. Если скорость галактики достаточно велика, т. е. если она превышает скорость убегания, характерную для этой сферической области, то галактика будет продолжать свое движение вечно (открытая вселенная), но если скорость галактики недостаточна, то она в конце концов уменьшится до нуля, после чего галактика начнет двигаться к центру сферы (замкнутая вселенная). Производя наблюдения очень удаленных объектов, мы как бы путешествуем во времени в далекое прошлое, когда — если верна теория Большого взрыва — Вселенная расширялась быстрее, чем сейчас. В принципе, производя измерения в очень широком интервале расстояний до галактик и их красных смещений, можно выявить отклонения от закона Хаббла вплоть до самых удаленных звездных систем. Но на практике этот метод не дал, по крайней мере на сегодняшний день, согласующихся между собой надежных результатов. Чтобы определить, является ли наша Вселенная открытой или замкнутой, необходимо исследовать объекты с красным смещением выше 0,5, а это соответствует расстояниям, значительно превышающим те, на которых можно увидеть обычные галактики (положение может изменить космический телескоп, выведенный на орбиту вокруг Земли, создание которого планируется на 80-е годы).

Какая судьба ожидает вечно расширяющуюся Вселенную?



Если наша Вселенная будет неограниченно расширяться — а об этом свидетельствуют почти все данные наблюдений, — то что ее ожидает в будущем? По мере расширения пространства материя становится все более разреженной, галактики и скопления все более удаляются друг от друга, а температура фонового излучения неуклонно приближается к абсолютному нулю. Со временем все звезды завершат свой жизненный цикл и превратятся либо в белых карликов, остывающих до состояния холодных черных карликов, либо в нейтронные звезды или черные дыры. Эра светящегося вещества закончится, и темные массы вещества, элементарных частиц и холодного излучения будут бессмысленно разлетаться в непрерывно разрежающейся пустоте.Впрочем, черные дыры не останутся без работы. Имея на то достаточно времени, черные дыры поглотят огромное количество вещества Вселенной. Если теория Хокинга верна, то черные дыры будут испускать излучение, но черным дырам с массой Солнца потребуется очень длительное время, прежде чем это что-то заметно изменит. Фоновое излучение остынет гораздо раньше, чем черные дыры начнут излучать больше, чем они будут поглощать из этого фонового излучения. Такой момент наступит только тогда, когда возраст Вселенной станет примерно в десять миллионов раз больше предполагаемого на сегодня. Должно пройти около 1066 лет, прежде чем черные дыры солнечной массы начнут взрываться, выбрасывая потоки частиц и излучения. Дж.Б.Берроу из Оксфордского университета и Ф.Тип-лер из Калифорнийского университета нарисовали такую картину отдаленного будущего неограниченно расширяющейся вселенной. Даже внутри старой нейтронной звезды сохраняется еще достаточно энергии, чтобы время от времени сообщать частицам, находящимся вблизи ее поверхности, скорость, превышающую скорость убегания; предполагается, что в результате этого через достаточно продолжительное время все вещество нейтронной звезды должно испариться. Распадутся и черные дыры, вызвав рождение (в равных пропорциях) частиц и античастиц. По мнению Берроу и Типлера, если запас энергии во Вселенной достаточен только для того, чтобы обеспечить ее неограниченное расширение, то эффект электрического притяжения в электронно-позитронных парах перевесит и гравитационное притяжение, и общее расширение Вселенной как целого; поэтому за конечное время все электроны проаннигилируют со всеми позитронами. В конечном итоге последней стадией существования материи окажутся не разлетающиеся холодные темные тела или черные дыры, а безбрежное море разреженного излучения, остывающего до конечной, повсюду одинаковой, температуры.Второе начало термодинамики предсказывает, что конец Эволюции Вселенной наступит, когда выравняется температура ее вещества — так как тепло передается от более теплых тел к более холодным, различие их температур со временем сглаживается и совершение работы становится невозможным. Эта мысль о «тепловой смерти» Вселенной была высказана еще в 1854г. Германом Гельмгольцем (1821-1894). Небезынтересно отметить, что наше современное представление о неограниченно расширяющейся Вселенной вместе с концепцией квантового излучения черных дыр, которая основана на аналогии между гравитацией и термодинамикой, по существу, привело, только более кружным путем, к выводам, сделан­ным Гельмгольцем.Мы не знаем с определенностью, каков должен быть исход противоборства расширения Вселенной и гравитационного притяжения ее вещества. Если победит тяготение, Вселенная когда-нибудь сколлапсирует в процессе Большого сжатия, которое может оказаться либо концом ее существо­вания, либо прелюдией к новому циклу расширения. Бел» же силы тяготения проиграют сражение, то расширение будет продолжаться неограниченно долго, но тем не менее гравитация будет играть существенную роль в определении окончательного состояния вещества Вселенной: станет ли оно безбрежным морем однородного излучения или же будет рассеиваться множеством темных холодных масс. В неясном далеком будущем прошедшая эпоха звездной активности может показаться лишь кратчайшим мгновением в бесконечной жизни Вселенной.Так неужели, же Вселенная обречена на вечное расширение? Пока все данные говорят именно об этом, хотя нельзя без боли думать о превращении нашего удивительного и сложного мира в бесформенную темную пустоту. По-видимому, многим была бы больше по душе пульсирующая модель, дающая надежду на возрождение пусть не живых существ, но по крайней мере таких привычных нам вещей, как вещество и излучение. Однако, что бы мы ни предпринимал», это не изменит ни плотности космического вещества, ни судьбы космоса — нам остается принимать его таким, каков он есть: Вселенную не выбирают.








sitemap
sitemap