Эволюция и химический состав вселенной

1. Эволюция  и химический состав вселенной

1.1 Теория Большого  Взрыва

    Около 15 миллиардов лет тому назад произошел Большой Взрыв, охвативший существовавшее в то время вещество, которое было равномерно распределено в небольшом пространстве и имело огромные плотность и температуру. Наиболее плотно вещество упаковано в атомных ядрах. Там плотность его составляет 10–15 г/см3. Сейчас известно, что плотность вещества до Большого Взрыва была во всяком случае больше плотности вещества в атомных ядрах по крайней мере в 10108раз. Именно такой плотности достигло вещество спустя 10–43 секунды после Большого Взрыва. Но за это время после начала Взрыва вещество успело уменьшить свою плотность. Значит, до Взрыва оно имело большую плотность.

   Горячее вещество, которое в конце концов взорвалось, состояло из большого количества фотонов, имеющих большие энергии, но замурованных в вещество в результате столь огромной его плотности. Кроме того, в нем содержались протоны и нейтроны, которые непрерывно стремились к объединению и образованию дейтерия. Этому препятствовали фотоны, разбивая дейтерий на протон и нейтрон. Этот процесс может идти только при очень высокой температуре.

   Известно, что температура вещества до Взрыва и сразу после него превышала  десятки тысяч миллиардов градусов по Кельвину (или просто кельвинов). Взрыв разбросал вещество во все  стороны, оно стало разбегаться  с огромными скоростями, порядка 250 километров в секунду. Так с  момента Большого Взрыва начала существовать горячая расширяющаяся Вселенная, в которой мы живем. Горячее вещество до Взрыва не содержало атомов химических элементов и даже всех элементарных частиц. В экстремальных условиях при столь больших плотности и температуре после Большого Взрыва стали протекать ядерные реакции между элементарными частицами, в результате которых образовались другие элементарные частицы (до указанного выше момента после истечения 10–4 секунды после Взрыва), а затем и химические элементы.

   Какие именно процессы привели к образованию  химических элементов, в настоящее  время установлено, поскольку имеется  возможность сопоставить результаты расчетов этих процессов с истинным распределением химических элементов  в нынешней Вселенной. Поэтому можно  считать, что мы знаем, что происходило  от 1 секунды после Взрыва и до наших дней, несмотря на то, что этот период занимает 15 миллиардов лет. Имеются  некоторые естественные вехи, которые  делят весь интервал времени после  Взрыва (все время жизни Вселенной, поскольку ее летоисчисление началось с Большого Взрыва) на отдельные  периоды. Первый такой период (возможно, состоящий из подпериодов) от начала Взрыва продолжался всего 1 секунду. Но именно в этот период была определена вся дальнейшая «судьба» Вселенной (ее строение, химический состав, эволюция). Правда, этот период не только самый важный, но и менее изученный, чем последующие.

   В самые первые моменты после Взрыва из-за огромной температуры, превышающей  десятки тысяч миллиардов градусов, взаимодействие частиц приводило к  рождению одновременно протонов и антипротонов, а также нейтронов и антинейтронов. Частицы и античастицы не только рождались, но и аннигилировали (взаимно  уничтожались). При последнем процессе рождаются фотоны. Так, высокоэнергичные фотоны при столкновении приводят к  образованию пар электрон-позитрон, а при аннигиляции рождаются  кванты света — фотоны. Минимальная  температура, при которой могут  проходить описанные выше превращения, должна превышать 10 миллиардов градусов. При меньших температурах фотонам  не будет хватать энергии для  образования пар электрон-позитрон. Как уже было сказано, для рождения более тяжелых частиц (протонов, антипротонов, нейтронов, антинейтронов, мезонов и т. п.) нужна еще более  высокая температура. Чем меньше температура, тем частицы меньшей  массы могут порождать фотоны. Поэтому при понижении температуры  число тяжелых частиц уменьшается (вначале протонов и антипротонов, а затем и мезонов).

   Высокоэнергичные  фотоны не могли преодолеть вещества из-за его колоссальной плотности: они  поглощались и тут же излучались веществом. При нынешней низкой плотности  вещества во Вселенной оно неспособно было бы оказать какое-либо ослабляющее (поглощающее) действие на распространение  этих фотонов. В результате поглощения и излучения фотонов их число  оставалось неизменным. То же можно  сказать и о протонах и нейтронах. Установлено, что в первый период на один протон приходился миллиард фотонов. Можно сказать, что все произошло  от света, так как частиц по сравнению  с фотонами было ничтожно мало. С  течением времени это соотношение  остается постоянным. Но меняется соотношение  между массой всех фотонов и массой всех протонов, поскольку фотоны становятся все более легкими. Это происходит в результате эффекта Доплера, так  как фотоны с течением времени  уменьшают свою частоту, а значит, и энергию (массу).

   В какое-то время наступает момент, когда вся масса фотонов (в  данном объеме) сравнится с массой протонов. Такое условие наступило  во Вселенной тогда, когда ее вещество имело плотность 10–20 г/см3 и температуру  около 6 тысяч градусов. До этого  масса излучения была больше массы  вещества. Этот период называют эрой фотонной плазмы. Фотоны в это время представляли собой видимый свет. Позднее их энергия уменьшилась (частота уменьшилась), и они стали радиоволнами.

   В первом периоде критическим является достижение момента в 0,3 секунды. С  этого момента вещество, уменьшающее  свою плотность в результате расширения, начинает быть прозрачным для нейтрино. При больших плотностях и очень  высоких температурах нейтрино взаимодействует  с веществом: они вместе с антинейтрино превращаются в электроны, позитроны  и обратно. После этого момента, наступившего спустя 0,3 секунды после Большого Взрыва, нейтрино становятся неуловимыми, ведь они больше не взаимодействуют с остальным веществом, которое становится для нейтрино прозрачным. По этой причине число нейтрино, которые вырвались в этот момент из вещества Вселенной, не меняется до наших дней: они только носятся по Вселенной, но не исчезают. Правда, с ними происходит то же самое, что и с фотонами, в результате эффекта Доплера они с течением времени уменьшают свою энергию. Мы узнаем о том, что происходило после Большого Взрыва, по тому излучению, которое доходит до нас с тех времен. Несомненно, что ценную информацию несут с собой и нейтрино, которые вырвались на свободу в момент, наступивший через 0,3 секунды после Взрыва. Но, к сожалению, их пока не удалось поймать. Этому препятствуют очень малая их энергия (она с первоначального момента сильно уменьшилась) и их нежелание взаимодействовать с остальным веществом.

   В первые пять минут после Большого Взрыва практически произошли события, определившие те свойства Вселенной, которые  она имеет сегодня. Решающую роль в них играли протоны и нейтроны, которые, взаимодействуя с электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино, превращаются друг в друга. Но в каждый момент число протонов примерно равно  числу нейтронов. Подчеркнем, что  температура в это время была не менее ста миллиардов градусов. Но с течением времени температура  вследствие расширения Вселенной уменьшается. При этом протонов становится больше, поскольку их масса меньше массы  нейтронов и создавать их энергетически выгоднее. Но эти реакции создания избытка протонов останавливаются из-за понижения температуры до того, как все нейтроны будут превращены в протоны, а именно, в тот момент, когда нейтроны составляют 15 % от всех тяжелых частиц. И только после того, как температура падает до одного миллиарда градусов, начинают образовываться простейшие ядра (кроме самого протона, который является ядром атома водорода). Это становится возможным потому, что фотоны и другие частицы из-за «низкой» температуры уже бессильны разбить ядро. Нейтроны захватываются протонами, и образуется дейтерий. Затем реакция продолжается и заканчивается образованием ядер гелия, которые состоят из двух протонов и двух нейтронов. Кроме дейтерия образуется совсем немного лития и изотопа гелия-3. Более тяжелые ядра в это время не образуются. Второй период, длящийся от секунды до 5 минут, заканчивается потому, что из-за упавшей ниже одного миллиарда градусов температуры ядерные реакции прекращаются. Собственно, это те реакции, которые происходят при взрыве водородной бомбы.

   К концу второго периода, то есть через 5 минут после Большого Взрыва, расширяющееся  вещество состоит из ядер атома водорода — 70 % и ядер гелия — 30 %. 
 
 

1.2 Эволюция Вселенной.  Процесс образования  вещества

   Был еще один момент, особый в протекании физических процессов в расширяющейся  Вселенной после Большого Взрыва. Электроны и позитроны, рождаемые  при высоких температурах в результате столкновения высокоэнергичных частиц, перестали создаваться, так как  температура упала до нескольких миллиардов градусов. Энергии сталкивающихся частиц стало недостаточно для их образования. Имеющиеся электроны  и позитроны аннигилируют, и при  этом образуются фотоны. Таким образом, число фотонов увеличивается. Через  какое-то время процесс аннигиляции  заканчивается. Так, к концу второго  периода в 5 минут заканчиваются  процессы в горячей ранней Вселенной. Температура становится ниже одного миллиарда градусов. Вселенная перестает  быть горячей. Поэтому наступает  период совсем других процессов, который  длится триста тысяч лет.

   В это время еще нет атомов. Вещество Вселенной представляет собой плазму, то есть одни голые ядра без орбитальных  электронов. Эта плазма «нашпигована»  фотонами. Поэтому ее называют фотонной плазмой. Она является непрозрачной для фотонов. Свет своим давлением  только несколько ее раскачивает, образуя  «фотонный звук». Главным дирижером  всего происходящего в расширяющейся  Вселенной во все три периода  является температура. Вселенная не только расширяется, но и одновременно (а точнее, поэтому) охлаждается. Когда  температура падает до четырех тысяч  градусов, наступает очередной скачок в характере процессов: начинают образовываться нейтральные атомы. Плазма перестает быть полностью  ионизованной. Число нейтральных  атомов увеличивается. Они образуются в результате обрастания имеющихся  в плазме ядер водорода и гелия  электронами. Так появляются в расширяющейся  Вселенной нейтральный водород  и гелий. По мере того как плазма стала превращаться в нейтральный  газ, она становилась прозрачной для фотонов. Именно в этот момент, спустя триста тысяч лет после  Большого Взрыва, фотоны вырвались  из столь длительного плена (названного эрой фотонной плазмы) и устремились  в самые удаленные уголки Вселенной. Эти качественные изменения имели  далеко идущие последствия. Главное  из них, видимо, то, что однородная до этого плазма, превращенная теперь в нейтральный газ, получила возможность  собираться в комки. А это первый шаг к образованию галактик и  вообще всех небесных тел. Почему это  не могло происходить в плазме? Потому, что образованный комок плазмы запирал внутри себя фотоны, которые  оказывали на него изнутри огромное давление и разбивали его. Комок  не рос дальше, а, наоборот, разрушался. Плазма снова становилась однородной. Но когда фотоны, как пар из лопнувшего шара, были выпущены, ничто не препятствовало нейтральному веществу собираться в  комки.

   Прежде  всего, возникает естественный вопрос, откуда мы знаем, что Вселенная расширяется. Это отнюдь не очевидно. Наоборот, во все эпохи считалось, что Вселенная является стационарной, то есть один раз запущенной, как часы, и важно было только выяснить, как устроен механизм этих часов. Но оказалось, что механизм Вселенной меняется со временем. Вселенная развивается, эволюционирует, то есть является нестационарной. Первым, кому это пришло в голову, был советский физик А. Фридман, работавший в 1920-е годы в Петрограде. Он строго математически решал уравнения теории тяготения А. Эйнштейна и установил, что Вселенная не может быть стационарной, она должна непрерывно меняться, эволюционировать. Если принять ее стационарность, то под действием сил притяжения она должна постепенно сжиматься. Сжатию под действием сил тяготения могут препятствовать силы, возникающие за счет круговых движений тел по своим орбитам, как это имеет место в Солнечной системе. В эллиптических галактиках вступает в силу другое противодействие — движение тел по очень вытянутым орбитам. Что касается всей Вселенной, то ни то, ни другое объяснение невозможно, так как для уравновешивания действия сил тяготения пришлось бы разгонять ее до скоростей, превышающих скорость света. А это законами физики запрещено. Получается, что силы тяготения во Вселенной уравновесить нечем.