Модель большого взрыва и хронология вселенной

          Сейчас изучаются и другие  следствия из условия отсутствия  границ. Особенно интересна задача  о малых отклонениях плотности  от однородной плотности ранней  Вселенной, в результате которых  возникли сначала галактики, потом  звезды и наконец мы сами. В  силу принципа неопределенности  ранняя Вселенная не может  быть совершенно однородной, потому  что должны обязательно присутствовать  некоторые неопределенности в  положениях и скоростях частиц - флуктуации. Исходя из условия  отсутствия границ, мы найдем, что  в начальном состоянии во Вселенной  действительно должна быть неоднородность, минимально возможная с точки  зрения принципа неопределенности. Затем Вселенная пережила период  быстрого расширения, как в моделях  раздувания. В течение этого периода  начальные неоднородности усиливались,  пока не достигли размеров, достаточных,  чтобы объяснить происхождение  тех структур, которые мы видим  вокруг себя. В такой расширяющейся  Вселенной, в которой плотность  вещества слабо меняется от  места к месту, расширение более  плотных областей под действием  гравитации могло замедлиться  и перейти в сжатие. Это должно  привести к образованию галактик, звезд и, наконец, даже таких  незначительных существ, как мы. Таким образом, возникновение  всех сложных структур, которые  мы видим во Вселенной, можно  объяснить условием отсутствия  у нее границ в сочетании  с квантово-механическим принципом  неопределенности.

          Из представления о том, что  пространство и время образуют  замкнутую поверхность, вытекают  также очень важные следствия  относительно роли Бога в жизни  Вселенной. В связи с успехами, достигнутыми научными теориями  в описании событий, большинство  ученых пришло к убеждению,  что Бог позволяет Вселенной  развиваться в соответствии с  определенной системой законов  и не вмешивается в ее развитие, не нарушает эти законы. Но  законы ничего не говорят нам  о том, как выглядела Вселенная,  когда она только возникла, - завести  часы и выбрать начало все-таки  могло быть делом Бога. Пока  мы считаем, что у Вселенной  было начало, мы можем думать, что у нее был Создатель.  Если же Вселенная действительно  полностью замкнута и не имеет  ни границ, ни краев, то тогда  у нее не должно быть ни  начала, ни конца: она просто  есть, и все! Остается ли тогда  место для Создателя? 

а) Адронная   эра .

Длилась примерно от t=0 соответствует моменту отсчёта времени начала расширения и начала отсчета времени существования Метагалактики. t=10-6 до t=10-4. Плотность порядка 1017 кг/м3 при T=1012…1013.

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

В первую миллионную долю секунды эволюции Вселенной  происходила материализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но по прошествии этого времени материализация барионов прекратилась, так как при температуре ниже 10K фотоны не обладали уже достаточной энергией для ее осуществления. 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?? до 10?? секунды.

К моменту, когда возраст  Вселенной  достиг одной десятитысячной секунды (10?? с.), температура ее понизилась до 10K, 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?? 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.

б) Лептонная  эра.

Длилась примерно от t=0 соответствует моменту отсчёта времени начала расширения и начала отсчета времени существования Метагалактики. t=10-4 до t=101. К концу эры плотность порядка 107 кг/м3 при T=109.

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 10???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.

в) Фотонная эра или эра излучения.

Длилась примерно от t=0 соответствует моменту отсчёта времени начала расширения и начала отсчета времени существования Метагалактики. t=10-6 до t=10-4. Плотность порядка 1017 кг/м3 при T=1012…1013.

На смену  лептонной  эры  пришла  эра  излучения, как только температура  Вселенной  понизилась до 10???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.

Для того чтобы можно было сравнивать роль частиц и фотонов во Вселенной, была введена величина плотности энергии. Это количество энергии в 1 куб.см, точнее, среднее количество (исходя из предпосылки, что вещество во Вселенной распределено равномерно). Если сложить вместе энергию h??всех фотонов, присутствующих в 1 куб.см, то мы получим плотность энергии излучения Er. Сумма энергии покоя всех частиц в 1 куб.см является средней энергией вещества Em во Вселенной.

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.

“Большой  взрыв” продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную нынешнего  возраста Вселенной. Несмотря на краткость  срока, это всё же была самая славная  эра Вселенной. Никогда после  этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом  её начале, во время “большого взрыва”. Все события во Вселенной в  тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции.

Не следует  забывать, что в столь короткое время (всего лишь несколько секунд) из богатого разнообразия видов элементарных частиц исчезли почти все: одни путем  аннигиляции (превращение в гамма-фотоны), иные путем распада на самые легкие барионы (протоны) и на самые легкие заряженные лептоны (электроны).

г) 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 “Большого Взрыва”  её развитие представляется как будто  слишком замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры.

Таким образом, эволюцию Вселенной можно  сравнить с фейерверком, который  окончился. Остались горящие искры, пепел и дым. Мы стоим на остывшем пепле, вглядываемся в стареющие  звезды и вспоминаем красоту и  блеск Вселенной. Взрыв суперновой или гигантский взрыв галактики - ничтожные явления в сравнении с большим взрывом.