Эволюция Вселенной. Физические процессы.

«Холодный» и «горячий» варианты развития Вселенной.

Предполагалось вначале при отсутствии конкретной теории сверхплотного состояния (30-е годы) все вещество Вселенной в виде холодных нейтронов. В ходе расширения

Протон будет соединяться с нейтроном, давая дейтрон D.

Реакции усложнения атомных ядер будут продолжаться до тех пор, пока не образуется -частица – ядро атома гелия. Таким образом, все вещество превратится в гелий. Этот вывод противоречит наблюдениям. Известно, что молодые звезды и …звездный газ состоит в основном из водорода, а не из гелия. Наблюдения отвергают холодную (энтропия S=0) нейтронную гипотезу первичного вещества.

«Горячий» вариант начальной стадии расширения Вселенной был предложен в работах американского физика А. Гамова. Предполагалось, что на начальной стадии температура была высока и энтропия велика: >> 1.

Начальная температура внутри сингулярности (состояние огромной плотности всего вещества) превышала 10¹³ градусов по абсолютной шкале Кельвина, в которой начало шкалы отсчета соответствует 273 гр. шкалы Цельсия. Плотность материи ≈ 10⁹³ (г/см³) (получено с учетом квантовых эффектов в гравитации). Это значение более чем на 120 порядков больше сегодняшней средней плотности во Вселенной и почти на 80 порядков больше плотности атомного ядра.

При сверхвысокой плотности все процессы превращения частиц идут весьма быстро, гораздо быстрее, чем меняется плотность вещества в ходе расширения. Все реакции, какие могут протекать, успевают протечь, пока условия существенно не изменились, и вещество будет находиться в состоянии термодинамического равновесия.

Нужна совершенно новая физическая теория (синтез существующей теории тяготения и квантовой теории). Условия определяются такими величинами, как плотность, температура. Есть еще два параметра – энтропия и лептонный заряд. Первое число характеризует степень нагретости вещества. Чем больше нагрето вещества, тем больше в нем фотонов. Число квантов, приходящиеся на одну тяжелую частицу – барион, и характеризует степень нагретости – энтропию (удельную энтропию). Во Вселенной лептонный заряд характеризуется разностью числа нейтрино и антинейтрино, приходящихся на один барион, плюс разность числа электронов и позитронов, приходящихся на один барион. Оба числа во Вселенной, будучи заданными в один момент, остаются почти постоянными, не меняются с расширением. Чтобы рассчитать процессы (ядерные реакции) в начале расширения, для модели Фридмана надо задать два числа: энтропию S и лептонный заряд L. Подтверждением теории является то, что рассматривая ядерные реакции в начале космологического расширения, можно получить наблюдаемое в настоящее время соотношение между количеством различных химических элементов и изотопов.

В состоянии высокой плотности неизбежно должен был произойти «большой взрыв». Такой взрыв произошел 15-20 млрд. лет назад и сопровождался сначала быстрым, потом умеренным расширением и постепенным охлаждением. По степени этого расширения ученые судят о состоянии материи на разных стадиях ее эволюции. Полагают, что через 0,01 с после взрыва плотность материи должна была упасть до 10¹⁰ г/см³. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов. При этом могли происходить непрерывные превращения пар электрон + позитрон в фотоны и обратно. Но уже через 3 мин. после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/3 гелия. Остальные химические элементы образовались из этого дозвездного вещества в результате ядерных реакций. В момент, когда возникли нейтральные атомы водорода и гелия, вещество сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое пространство. В настоящее время такой остаточный процесс наблюдается в виде реликтового излучения. Оно было обнаружено случайно в 1965 году сотрудниками американской компании «Bell» в диапазоне ~ 1 см. Реликтовое излучение является подтверждением горячей Вселенной.

По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших ранее симметрий и возникновения на этой основе новых структур. Тот факт, что любая эволюция сопровождается разрушением симметрий, непосредственно следует из принципа положительной обратной связи, согласно которому неравновесность и неустойчивость, возникающая в открытой системе, вследствие взаимодействия системы, со временем не ликвидируется, а усиливается. Это приводит в конечном счете к разрушению прежних симметрий и к возникновению новой структуры.

Нарушение симметрии между веществом и антивеществом, возникновение, в частности, пар разноименно заряженных частиц, таких как электрон и позитрон – один из первых результатов расширения и соответственно охлаждения Вселенной. Столкновение их приводит к образованию двух фотонов . Вещество каким-то образом оказалась отделенным от антивещества, иначе вследствие аннигаляции не произошло бы образование мира. Когда температура Вселенной после взрыва упала до 6 млрд. градусов по Кельвину, первые 8 с после взрыва там существовала смесь электронов и позитронов. На этой стадии происходило непрерывное превращение вещества в излучение и наоборот. Между веществом и излучением сохранилась симметрия. Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и понижения ее температуры.

На этой стадии возникли более тяжелые ядерные частицы – протоны и нейтроны. Возник крайне незначительный перевес вещества над излучением (примерно излишек одного протона или нейтрона на миллиард фотонов). Из этого излишка в процессе дальнейшей эволюции возникло разнообразие материальных образований, явлений и форм.