Сценарий происхождения Вселенной. Землеустройство

ФГОУ  ВПО "ИВАНОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ  СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ  ИМЕНИ АКАДЕМИКА Д.К.БЕЛЯЕВА" 
 
 

БИОЛОГИЯ

СЦЕНАРИЙ  ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ.

ЗЕМРЕУСТРОЙСТВО

МАСЛОВ  Е.М.

1 КУРС 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ИВАНОВО

2011г.

1. Введение.

    Космология  - это физическое учение о Вселенной, включающее в себя теорию всего охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной.

    Величайшим  достижением современной космологии стала модель расширяющейся Вселенной, названная теорией Большого взрыва.

    Согласно  этой теории, всё наблюдаемое пространство расширяется. Но что же было в самом начале? Всё вещество в Космосе в какой-то начальный момент было сдавлено буквально в ничто - спрессовано в одну-единственную точку. Оно имело фантастически огромную плотность - её практически невозможно себе представить, она выражается числом, в котором после единицы стоят 96 нулей, - и столь же невообразимо высокую температуру. Астрономы назвали такое состояние сингулярностью.

    В силу каких-то причин это удивительное равновесие было внезапно разрушено действием гравитационных сил - трудно даже вообразить, какими они должны были быть при бесконечно огромной плотности "первовещества"!

    Этому моменту учёные дали название "Большой  взрыв". Вселенная начала расширяться  и остывать.

    Следует отметить, что вопрос о том, каким же было рождение Вселенной - "горячим" или "холодным", - не сразу был решён однозначно и занимал умы астрономов долгое время. Интерес к проблеме был далеко не праздным - ведь от физического состояния вещества в начальный момент зависит, например, возраст Вселенной. Кроме того, при высоких температурах могут протекать термоядерные реакции. Следовательно, химический состав "горячей" Вселенной должен отличаться от состава "холодной". А от этого в свою очередь зависят размеры и темпы развития небесных тел...

    На  протяжении нескольких десятилетий  обе версии - "горячего" и "холодного" рождения Вселенной - существовали в  космологии на равных, имея и сторонников, и критиков. Дело оставалось "за малым" - следовало подтвердить их наблюдениями.

2. Реликтовое излучение.

    Современная астрономия на вопрос о том, существуют ли доказательства гипотезы горячей  Вселенной и Большого взрыва, может  дать утвердительный ответ. В 1965 г. было сделано открытие, которое, как считают  учёные, прямо подтверждает то, что  в прошлом вещество Вселенной было очень плотным и горячим. Оказалось, что в космическом пространстве встречаются электромагнитные волны, которые родились в ту далёкую эпоху, когда не было ещё ни звёзд, ни галактик, ни нашей Солнечной системы.

    Возможность существования такого излучения была предсказана астрономами гораздо раньше. В середине 1940гг. американский физик Джордж Гамов (1904-1968) занялся проблемами возникновения Вселенной и происхождения химических элементов. Расчёты, выполненные Гамовым и его учениками, позволили представить, что во Вселенной в первые секунды её существования была очень высокая температура. Нагретое вещество "светилось" - испускало электромагнитные волны. Гамов предположил, что они должны наблюдаться и в современную эпоху в виде слабеньких радиоволн, и даже предсказал температуру этого излучения - примерно 5-6 К.

    В 1965 г. американские учёные радиоинженеры  Арно Пензиас и Роберт Уилсон зарегистрировали космическое излучение, которое  нельзя было приписать никакому известному тогда космическому источнику. Астрономы пришли к выводу, что это излучение, имеющее температуру около 3 К, - реликт (от лат. "остаток", отсюда и название излучения - "реликтовое") тех далёких времён, когда Вселенная была фантастически горяча. Теперь астрономы смогли сделать выбор в пользу "горячего" рождения Вселенной. А. Пензиас и Р. Вильсон, получили в 1978 г. Нобелевскую Премию за открытие космического микроволнового фона (такового официальное название реликтового излучения) на волне 7,35 см.

3. Сценарий далекого прошлого.

    Большим взрывом называется явление возникновения  Вселенной. В рамках этой концепции  полагается, что начальным состоянием Вселенной была точка, называемая точкой сингулярности, в которой были сосредоточены  все вещество и энергия. Она характеризовалась бесконечно большой плотностью материи. Конкретные свойства точки сингулярности неизвестны, как неизвестно и то, что предшествовало состоянию сингулярности.

    Приблизительная хронология событий, последовавших  с нулевого момента времени - начала расширения, представлена ниже:

    Относительно  условий и событий, происходивших  до наступления момента 5·10-44 секунды - окончания первого кванта времени - никаких достоверных сведений нет. О физических параметрах той эры можно лишь сказать, что тогда температура была 1,3·1032 К, а плотность материи около 1096 кг/м3. Приведенные значения являются предельными для применения существующих теорий. Они вытекают из соотношений скорости света, гравитационной постоянной, постоянных Планка и Больцмана и называются “планковскими”.

    События периода с 5·10-44 по 10-36 секунды отражает модель “инфляционной Вселенной”, описание, которой затруднительно и  не может быть дано в рамках этого  изложения. Однако следует отметить, что согласно этой модели расширение Вселенной происходило без уменьшения объемной концентрации энергии и при отрицательном давлении первичной смеси вещества и энергии, т.е., как бы, отталкивании материальных объектов друг от друга, вызвавшем расширение Вселенной, продолжающееся и поныне.

    Далее, начиная с момента 10-36 секунды  от начала взрыва, события описываются  в рамках модели “горячей Вселенной”.

    Для понимания процессов, протекавших  в период 10-36-10-4 секунд с начала взрыва, требуется глубокое знание физики элементарных частиц. В этот период электромагнитное излучение и элементарные частицы - различные виды мезонов, гипероны, протоны и антипротоны, нейтроны и антинейтроны, нейтрино и антинейтрино и т.п. существовали в равновесии, т.е. их объемные концентрации были равны. Очень важную роль в это время играли вначале поля сильных, а затем слабых взаимодействий.

      В период 10-4 - 10-3 секунды происходило  формирование всего множества  элементарных частиц, которые, преобразуясь  одни в другие, и составляют  ныне всю Вселенную. Произошла аннигиляция подавляющего большинства элементарных частиц и античастиц, существовавших ранее. Именно в этот период появилась барионная асимметрия, которая оказалась следствием очень малого, всего на одну миллиардную долю, превышения количества барионов над антибарионами. Оно возникло, судя по всему, сразу после эры инфляционного расширения Вселенной. При температуре 1011 градусов плотность Вселенной уже снизилась до величины, характерной для атомных ядер, В этот период уменьшение температуры вдвое происходило за тысячные доли секунды. В это же время родилось существующее и ныне реликтовое нейтринное излучение. Однако, несмотря на его значительную плотность, составляющую не менее чем 400 штук/см3, и возможность получить с его помощью важнейшую информацию о том периоде формирования Вселенной, его регистрация пока не реализуема.

    В период с 10-3 по 10-120 секунд в результате термоядерных реакций образовались ядра гелия и очень малое количество ядер некоторых других легких химических элементов, а значительная часть протонов - ядер водорода - объединению в атомные ядра не подверглась. Все они остались погруженными в “океан” свободных электронов и фотонов электромагнитного излучения. С этого момента в первичном газе установилось соотношение: 75- 78% водорода и 25-22% гелия - по массам этих газов.

    В период между 300 тысячами и 1 миллионом  лет температура Вселенной понизилась до 3000 - 45000 К и наступила эра  рекомбинации. Свободные прежде электроны  объединились с легкими атомными ядрами и протонами. Образовались атомы водорода, гелия и некоторое количество атомов лития. Вещество стало прозрачным и реликтовое излучение, наблюдаемое до сих пор, “отделилось” от него. Все наблюдаемые ныне особенности реликтового излучения, например, флуктуации температуры его потоков приходящих от разных участков на небесной сфере или их поляризация отражают картину свойств и распределения вещества в то время.

    В течение последующего - первого миллиарда  лет существования Вселенной  ее температура снизилась от 3000 - 45000 К до 300 К. В связи с тем, что к этому периоду времени во Вселенной еще не образовалось источников электромагнитного излучения – звезд, квазаров и т.п., а реликтовое излучение уже остыло, эту эпоху называют “Темным возрастом” Вселенной.

    Тогда же неоднородности плотности смеси первичных газов, возникшие, вероятно, еще на этапе “инфляционного расширения” Вселенной, уплотнялись под действием гравитационных сил. Компьютерное моделирование этих процессов показывает, что это должно было приводить к образованию гигантских звезд с массами в миллионы масс Солнца. По причине таких огромных масс, эти звезды разогревались до очень высоких температур и потому проходили весь свой путь эволюции в течение нескольких десятков миллионов лет, а затем взрывались как сверхновые.

    Нагретые  до огромных температур поверхностей этих звезд порождали мощные потоки ультрафиолетового излучения, которые  произвели повторную ионизацию  атомов находящихся в свободном  от звезд космическом пространстве. Наступила, так называемая, эпоха  переионизация. Образовавшаяся плазма сильно рассеивала электромагнитное излучение в его коротковолновых спектральных диапазонах. Вселенная, как бы погрузилась в густой туман. Только для длинноволнового реликтового излучения эта среда оказалась прозрачной.

    Эти гигантские звезды послужили первыми во Вселенной источниками более тяжелых, чем литий химических элементов. Вслед за тем появилась возможность формирования космических объектов второго поколения, содержащих ядра этих атомов. Звезды второго поколения начали формироваться из смеси тяжелых атомов, а также атомов первичных водорода и гелия. Они и звезды последующих поколений уже не были столь массивными и горячими, как звезды первого поколения, поэтому потоки ультрафиолетового ионизирующего излучения от них были значительно меньше. Произошла повторная рекомбинация большинства атомов межзвездного и межгалактического газов и пространство вновь стало, в основном, прозрачным для электромагнитного излучения во всех  его спектральных диапазонах. Картина Вселенной стала, практически такой, какой мы ее наблюдаем сегодня.

    Итак,  в результате Большого взрыва 13-20 млрд. лет назад начал действовать  уникальный ускоритель частиц, в ходе работы которого непрерывно и стремительно сменяли друг друга процессы рождения и гибели (аннигиляции) разнообразных частиц.

4. Большой Взрыв.

    Предыдущая  вселенная перед взрывом состояла из небольшого количества почти полностью  выгоревших галактик. Основным элементом  в этих галактиках было железо. Вселенную  освещали только жёлтые и красные  звёзды, но горели они значительно ярче, чем сейчас.Если во вселенной и существовала жизнь, то она была сосредоточена вокруг этих звёзд и была обречена на гибель. В центре вселенной находилась "ЧЁРНАЯ ДЫРА", в которую и падали все эти галактики. А в центре "ЧЁРНОЙ ДЫРЫ" находилась гигантская звезда, размерами превосходящая самую большую галактику. Эта звезда под действием гравитации сжималась, и сначала кванты энергии начали входить друг в друга, образуя единый квант энергии, имеющий положительный заряд. При дальнейшем сжатии начался мгновенный переход вакуума в энергию. Стоит более подробно остановиться на природе вакуума. Распадаться могут не только элементарные частицы, но и сам квант. При этом образуются кванты с дробным зарядом. Кванты энергии, имеющие дробный заряд, меньше единицы, не могут иметь полей. Из этих квантов энергии, не имеющих полей, и ничто-пустоты и состоит вакуум. Эти неполноценные кванты называются "Снарками". Для того чтобы несколько снарков превратились в полноценный квант, необходимо, чтобы они вошли друг в друга. Для этого надо огромное давление. Такое давление и создала первичная звезда.

      Как только давление достигло  критического уровня, весь вакуум  внутри первичного тела мгновенно  превратился в энергию. Все  поля являются энергиями, а  энергии возникают в результате взаимодействия двух объектов, имеющих разный энергетический уровень. Если одного из составляющих нет, то и создание энергии, а значит и полей, невозможно. Вакуум, игравший роль объекта, имеющего низкий энергетический уровень, превратился в энергию, и кванту стало не с чем взаимодействовать, для создания полей. Гравитационное поле мгновенно уменьшилось, и звезда вышла из коллапса. Сжатие ядра гигантской звезды уменьшилось, и она сбросила наружную оболочку. Произошел эффект сжатой пружины, которая, при уменьшении сжатия, распрямляется. Кванты подобной энергетической плотности в природе существовать не могут. Для уменьшения своей энергетической плотности он должен был увеличить длину волны, а, значит, увеличиваться в объёме. При взаимодействии протокванта и внешнего вакуума, образовалось гигантское электрическое поле. Именно из этого электрического поля и вакуума и стали образовываться протоны. Энергию электрического поля поддерживал протоквант, теряя энергию на его поддержание. Этот суперфотон увеличивался в объёме со скоростью света, и протоны оказывались внутри этого кванта, так как двигаться со "скоростью света" протоны не могли. Это запрещено теорией относительности. Любая элементарная частица состоит из кванта энергии и вакуума. Плотность вакуума внутри элементарной значительно выше, чем в окружающем пространстве. Количество вакуума в природе ограничено, а так как на создания вещества тратилось большое количество вакуума, это привело к резкому уменьшению вселенной. Вселенная стала сжиматься.

    Сжатие  вселенной происходило так быстро, что вещество внешней оболочки звезды, оказалось перемешанным с вновь  созданным веществом. Каждая новая  вселенная наследует часть вещества от старой вселенной. Когда энергия  протокванта была израсходована на создание протонов, нечем стало поддерживать энергию электрического поля, и электрическое поле должно было начать уменьшаться. Электрическое поле стремится любой ценой сохранить свой потенциал, даже ценой изменения своего заряда, на противоположный. На спаде потенциала, из энергии поля, стали создаваться электроны. Когда энергетическая плотность поля, стала не достаточна для создания электронов, оно разбилось на фотоны, и по периметру взрыва образовалась гигантская вспышка, состоящая из фотонов. Фотоны, продолжая двигаться в том же направлении, прошли через второй центр, (наша вселенная относится к двухцентовым объектам) и толкнули внешние электроны в центр вселенной. Из центра вселенной двигались протоны и некоторое количество вещества от предыдущей вселенной, а навстречу им электроны, получившие момент импульса от фотонов, и образовалось два встречных потока. Образовались гигантские вихри аналогичные земным циклонам.

    Циклоны не просто внешне напоминают спиральные галактики, у них и природа  одинаковая. В центре такого вихря высокая плотность вещества, а вот момент импульса равен нулю. На периферии наоборот плотность вещества низкая, а момент импульса большой. В результате взаимодействия электронного и протонного потока образовалось большое количество спиральных галактик. Поскольку в центре галактики вещество не имело момента импульса, то протоны сразу же собрались в гигантские звёзды, и сразу начались термоядерные реакции. Большой Взрыв был не таким эффектным, как считают физики, но очень эффективным. Большая часть энергии превратилась в вещество. Фактически взрыва, как такового, и не было. Было превращение энергии в вещество по всему объёму вселенной. Доказательством этого является то, что наша вселенная однородна и изотропна. Это означает, что в любой сфере, с диаметром ~ равным 300 световых лет, количество галактик приблизительно равно. Однородность и изотропность вселенной, принято называть Космологическим Принципом. При взрыве, который предложен физиками, такого эффекта быть не может. Это возможно только в случае, когда вещество равномерно возникло во всём объёме вселенной.

    При термоядерной реакции выделяется не только энергия, но и вакуум. Расстояние между пунктом "А" и "Б" зависит  от количества вакуума находящегося между ними. Чем активнее происходили термоядерные процессы в галактике, тем больше выбрасывалось вакуума, и тем быстрее она удалялась от остальных галактик. Вселенная начала расширяться. Вселенная расширялась не за счёт энергии первичного взрыва, а благодаря термоядерным реакциям звёзд. Как сохраняли галактики свою структуру можно найти в статье "Геометрия галактик". Вакуум, освободившийся после термоядерных реакций, постепенно покидает пределы метагалактики, но пока термоядерная активность звёзд велика, и количество вакуума, излучаемое звёздами больше, чем покидающее метагалактику, она будет расширяться.

    Как только термоядерная активность галактик уменьшится, вселенная продолжит  увеличиваться, а вот метагалактика  начнёт уменьшаться. Это произойдёт тогда, когда количество вакуума, покидающее метагалактику, будет больше, чем получаемую при термояде. Галактики начнут движение к общему центру, цикл замкнётся, и всё повторится с начала.

    Мы  выяснили, что Вселенная постоянно  расширяется; тот момент с которого Вселенная начала расширятся, принято  считать ее началом. Его называют  “Большим Взрывом” или английским термином Big Bang.

    Под расширением Вселенной подразумевается  такой процесс, когда тоже самое  количество элементарных частиц и фотонов  занимают постоянно возрастающий объём.

    Кратко  изложим все те умозаключения о возможных параметрах Вселенной на стадии Большого Взрыва, к которым мы пришли.

    Средняя плотность Вселенной в результате расширения постепенно понижается. Из этого следует, что в прошлом  плотность Вселенной была больше, чем в настоящее время. Можно предположить, что в глубокой древности (примерно десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была очень большой.

    Кроме того высокой должна была быть и  температура, настолько высокой, что  плотность излучения превышала  плотность вещества. Иначе говоря энергия всех фотонов содержащихся в 1 куб. см была больше суммы общей энергии частиц, содержащихся в 1 куб. см. На самом раннем этапе, в первые мгновения “Большого Взрыва” вся материя была сильно раскаленной  и густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но  возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы.

      Подробный анализ показывает, что  температура вещества Т понижалась во времени в соответствии с простым соотношением формула (1) :

                (1)                          

    Зависимость температуры Т от времени t дает нам  возможность определить, что например, в момент, когда возраст Вселенной  исчислялся всего одной десятитысячной секунды,  её температура представляла  один  биллион  Кельвинов.

5. Эволюция вещества

       Температура раскаленной плотной  материи на начальном этапе  Вселенной со временем понижалась, что и отражается в соотношении.  Это значит, что понижалась средняя кинетическая энергия частиц kT . Согласно соотношению hn=kT понижалась и энергия фотонов. Это возможно лишь в том случае, если уменьшится их частота n. Понижение энергии фотонов во времени имело для возникновения частиц и античастиц путем материализации важные последствия. Для того чтобы фотон превратился (материализовался) в частицу и античастицу с массой mo и энергией покоя moc2, ему необходимо обладать энергией 2 moc2 или большей формула(2).

          (2) 

    Со временем энергия фотонов понижалась, и как только она упала ниже произведения энергии частицы и античастицы (2moc2), фотоны уже не способны были обеспечить возникновение частиц и античастиц с массой mo. Так, например, фотон, обладающий энергией меньшей, чем 2*938 Мэв, не способен материализоваться в протон и антипротон, потому что энергия покоя протона равна 938 мэв.

       В предыдущем соотношении можно  заменить энергию фотонов hn кинетической энергией частиц kT формула (3) 

                           (3)

    то  есть

       (4) 

    Знак  неравенства формула (4) означает следующее: частицы и соответствующие им античастицы возникали при материализации в раскаленном веществе до тех  пор, пока температура вещества T не упала ниже указанного значения.                          

    На  начальном этапе расширения Вселенной  из фотонов рождались частицы  и античастицы. Этот процесс постоянно  ослабевал, что привело к вымиранию  частиц и античастиц. Поскольку аннигиляция может происходить при любой температуре, постоянно осуществляется процесс

    частица + античастица  Þ 2 гамма-фотона

    при условии соприкосновения вещества с антивеществом. Процесс материализации

    гамма-фотон  Þ частица + античастица

    мог протекать лишь при достаточно высокой температуре. Согласно тому, как материализация в результате понижающейся  температуры раскаленного вещества приостановилась,

    эволюцию  Вселенной принято разделять  на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную и звездную.

5.1.   Адронная эра.  

    Длилась примерно от t=10-6с до  t=10-4с. Плотность  порядка 1017 кг/м3 при T=1012…1013К.

    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.

    Через миллионную долю секунды с момента  рождения Вселенной, температура T упала  на 10 биллионов Кельвинов(1013K). Средняя кинетическая энергия частиц kT и фотонов hn составляла около миллиарда эв (103 Мэв), что соответствует энергии покоя барионов.

    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 1013 K 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 10-6 до 10-4 секунды.

    К моменту, когда возраст Вселенной  достиг одной десятитысячной секунды (10-4 с), температура ее понизилась до 1012 K, 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 10-4 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.

5.2.  Лептонная эра.

    Длилась примерно от t=10-4с до  t=101с. К концу  эры плотность порядка 107 кг/м3 при T=109К.

    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 1010 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”.