Большой взрыв и краткая история Вселенной, Первые секунды после Большого взрыва - Теории происхождения Вселенной
Первые секунды после Большого взрыва
После загадочной космологической сингулярности следует не менее таинственная планковская эра (0 -10 -43 С). Трудно сказать какие процессы происходили в этот краткий миг новорожденной Вселенной. Но точно известно, что к концу планковского момента гравитационное воздействие отделилось от трех фундаментальных сил, соединенных в единую группу Великого объединения.
Для того, чтобы описать более ранний момент, необходима новая теория, частью которой может стать модель петлевой квантовой гравитации и теория струн. Получается, что планковская эра, как и космологическая сингулярность, составляет сверхмалый по длительности, но значительный по научному весу пробел в доступных знаниях ранней Вселенной. Так же в пределах планковского времени существовали своеобразные флуктации пространства и времени. Для описания этого квантового хаоса можно использовать образ пенящихся квантовых ячеек пространства-времени.
По сравнению с планковской эрой дальнейшие события предстают перед нами в ярком и понятном свете. В период с 10 -43 с до 10-35 с в молодой Вселенной уже действовали силы гравитации и Великого объединения. В этот период сильное, слабое и электромагнитное воздействия были единым целым и составляли силовое поле Великого объединения.
Когда с момента Большого взрыва прошло 10-35 С, Вселенная достигла температуры 1029 К. В этот момент сильное взаимодействие отделилось от электрослабого. Это привело к нарушению симметрии, которое происходило по-разному в разных частях Вселенной. Есть вероятность, что Вселенная разделилась на части, которые были отгорожены друг от друга дефектами пространства-времени. Так же там могли существовать и другие дефекты - космические струны или магнитные монополи. Однако, сегодня мы не можем этого видеть из-за другого разделения силы Великого объединения - космологической инфляции.
В то время Вселенная была заполнена газом из гравитонов - гипотетических квантов поля тяготения и бозонов силы Большого объединения. В это же время почти не существовала разница между лептонами и кварками.
Когда в некоторых частях Вселенной произошло разделение сил, возник ложный вакуум. Энергия застряла на высоком уровне, вынуждая пространство удваиваться каждые 10-34 с. Таким образом, Вселенная от квантовых масштабов( одна миллиардная триллионной триллионной доли сантиметра) перешла к размерам шара с диаметром около 10 см. В результате эпохи Великого объединения произошел фазовый переход первичной материи, который сопровождался нарушением однородности ее плотности. Эпоха Великого объединения закончилась приблизительно в 10?34 секунд с момента Большого Взрыва, когда плотность материи составляла 1074 г/смі, а температура 1027 K. В этот момент времени от первичного взаимодействия отделяется сильное ядерное взаимодействие, которое начинает играть важную роль в создавшихся условиях. Это отделение привело к следующему фазовому переходу и масштабному расширению Вселенной, которое привело к изменению плотности вещества и распределению его по Вселенной.
Одна из причин, почему мы так мало знаем о состоянии Вселенной до инфляции, заключается в том, что дальнейшие события очень сильно ее изменили, разбросав частицы до инфляционного возраста по самым дальним уголкам Вселенной. Поэтому, даже если эти частицы и сохранились, обнаружить их в современном веществе достаточно сложно.
С быстрым развитием Вселенной происходят большие изменения, и в след за периодом Великого объединения идет эпоха инфляции (10-35 - 10-32). Для этой эпохи характерно сверхбыстрое расширения молодой Вселенной, то есть инфляция. В этот краткий миг Мироздание представляло собой океан ложного вакуума с высокой плотностью энергии, благодаря чему и стало возможно расширение. При этом параметры вакуума постоянно менялись из-за квантовых всплесков - флуктации (пространство-временное вспенивание).
Инфляция объясняет природу взрыва при Большом взрыве, то есть почему происходило стремительное расширение Вселенной. Основой для описания этого явления послужили общая теория относительности Эйнштейна и квантовая теория поля. Для того, что описать это явление, физики построили гипотетическое инфлаторное поле, которое заполняло все пространство. Благодаря случайным колебаниям оно принимало разные значения в произвольных пространственных областях и в разные моменты времени. Затем в инфлаторном поле образовалась однородная конфигурация критического размера, после чего пространственная область, занятая флуктацией, начала быстро увеличиваться в размерах. Из-за стремления инфлаторного поля занять положение, в котором его энергия минимальна, процесс расширения обрел нарастающий характер, в результате которого Вселенная начала увеличиваться в размерах. В момент расширения(10-34) начал распадаться ложный вакуум, в результате чего начинают образоваться частицы и античастицы больших энергий.
В истории Вселенной наступает адронная эра, важной особенностью которой является существования частиц и античастиц. Согласно современным представлениям в первые микросекунды после Большого взрыва, Вселенная находилась в состоянии кварк-глюонной плазмы. Кварки являются составными частями всех адронов (протонов и нейтронов), а нейтральные частицы глюоны-переносчики сильного взаимодействия, которые обеспечивают слипание кварков в адроны. В первые моменты Вселенной эти частицы только образовывались и находились в свободном, газообразном, состоянии.
Хромоплазму кварков и глюонов обычно сравнивают с жидким состоянием взаимодействующей материи. В такой фазе кварки и глюоны освобождаются от адронной материи и могут свободно перемещаться по всему плазменному пространству, в результате чего образуется цветопроводность.
Не смотря на экстремально высокие температуры, кварки были достаточно связаны между собой, а их движение напоминало скорее движение атомов в жидкости, чем в газе. Так же при таких условиях происходит еще один фазовый переход, при котором легкие кварки, составляющие вещество, становятся безмассовыми.
Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальное изобилие частиц по сравнению с количеством античастиц составляло ничтожно малую долю от общего числа. И именно этих избыточных протонов хватило для создания вещества Вселенной.
Некоторые ученые полагают, что в адронной эре существовали и скрытие вещества. Носитель скрытой массы неизвестен, но наиболее вероятными считаются такие элементарные частицы как аксионы.
В процессе развития взрыва температура падала и через одну десятую секунды достигала 3*1010 градусов Цельсия. Через одну секунду - десять тысяч миллионов градусов, а через тринадцать секунд - три тысячи миллионов. Этого было уже достаточно для того, чтобы электроны и позитроны начали аннагилировать быстрее. Энергия, выделяющаяся при аннагиляции, постепенно замедляла скорость охлаждения Вселенной, но температура продолжала падать.
Период с 10-4 - 10 с принято называть эрой лептонов. Когда энергия частиц и фотонов понизилась в сотню раз, вещество заполнили лептоны-электроны и позитроны. Лептонная эра начинается с распада последних адронов в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд, когда энергия фотонов резко уменьшилась и генерация электрон-позитронных пар прекратилась.
Примерно через одну сотую секунды после Большого взрыва температура Вселенной была равна 10 11 градусов Цельсия. Это намного горячее, чем в центре любой известной нам звезды. Эта температура так высока, что ни один из компонентов обычного вещества, атомы и молекулы, не могли существовать. Вместо этого молодая Вселенная состояла из элементарных частиц. Одними из этих частиц были электроны, - отрицательно заряженные частицы, которые образую внешние части всех атомов. Другими частицами были позитроны,- положительно заряженные частицы с массой, в точности равной массе электрона. Помимо этого существовало нейтрино различных типов - призрачных частиц, не имеющих ни массы, ни электрического заряда. Но нейтрино и антинейтрино не аннигилировали друг с другом, потому что эти частицы очень слабо взаимодействуют между собой и другими частицами. Поэтому они до сих пор должны встречаться вокруг нас, и они могло бы стать хорошим способ проверки модели горячей ранней Вселенной. Однако энергии этих частиц сейчас слишком малы для их наблюдения.
Во время эры лептонов имелись такие частицы как протоны и нейтроны. И наконец, во Вселенной был свет, который, согласно, квантовой теории, состоит из фотонов. В пропорциональном отношении, на один нейтрон и протон приходилось тысяча миллионов электронов. Все эти частицы непрерывно рождались из чистой энергии, а затем аннигилировали, образовывали другие виды частиц. Плотность в ранней Вселенной при столь высоких температурах была в четыре тысячи миллионов раз больше, чем у воды.
Как говорилось ранее, именно в этот период происходит интенсивное рождение в ядерных реакциях различных типов призрачного нейтрино, которое называют реликтовым.
Начинается радиационная эра, в начале которой Вселенная вступает в эпоху излучения. В начала эры (10 с) излучение интенсивно взаимодействовало с заряженными частицами протонов и электронов. Из-за падения температуры фотоны охлаждались, и в результате многочисленных рассеяний на удаляющихся частицах уносилась часть их энергии.

Рис. 2
Примерно через сто секунд после Большого взрыва температура падает до тысячи миллионов градусов, что соответствует температуре самых горячих звезд. При таких условиях энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для сопротивления сильному ядерному притяжению, и они начинают объединяться друг с друг с другом, образуя ядра дейтерия - тяжелого водорода. Затем ядра дейтерия присоединяют другие нейтроны и протоны и превращаются в ядра гелия. После образуются более тяжелые элементы - литий и бериллий. Первичное образование атомных ядер рождающегося вещества продолжалось недолго. После трех минут частицы разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения стали редким явлением. Согласно горячей модели Большого взрыва, около четвертой части протонов и нейтронов должно было превратиться в атомы гелия, водорода и других элементов. Оставшиеся элементарные частицы распались на протоны, представляющие ядра обычного водорода.
Через несколько часов после Большого взрыва образование гелия и других элементов прекратилось. В течение миллиона лет Вселенная просто продолжала расширяться и в ней почти больше ничего не происходило. Существующая в тот период материя начала расширяться и охлаждаться. Значительно позже, через сотни тысяч лет температура упала до нескольких тысяч градусов, и энергии электронов и ядер стало недостаточно для преодоления действующего между ними электромагнитного притяжения. Они начали сталкиваться между собой, образуя первые атомы водорода и гелия (рис 2).
Похожие статьи
-
История Вселенной согласно стандартной модели Большого взрыва - Происхождение Вселенной
В нулевой момент времени Вселенная возникла из сингулярности. В течение первой миллионной доли секунды, когда температура значительно превышала 1012 К, а...
-
Вопрос о происхождении Вселенной со всеми ее известными и пока неведомыми свойствами испокон веков волнует человека. Но только в ХХ веке, после...
-
Теория Большого взрыва "Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем...
-
Сразу после рождения Вселенная продолжала расти и охлаждаться. При этом охлаждение происходило, в том числе и благодаря банальному расширению...
-
Теория Большого взрыва была придумана для того, чтобы объяснить происхождение вселенной. Почему-то из знакомства с ней обычно выносят больше вопросов,...
-
Большой взрыв - Теории происхождения Вселенной
О Большом Взрыве ежегодно публикуется огромное число статей и в научной и в научно-популярной печати. Но самое-то интересное заключается в том, что...
-
Бесконечно пульсирующая Вселенная - Теории происхождения Вселенной
Один из главных вопросов, который интересует ученых, связан с состоянием Вселенной, предшествующих началу Большого взрыва. Ведь не мог весь известный нам...
-
Сценарий развития Вселенной после Большого Взрыва - Эволюция Вселенной
Рассмотрим один из многих возможных сценариев развития событий по модели БВ и горячей Вселенной. Сразу после БВ Вселенная представляла собой...
-
После возникновения водорода и гелия наступает так называемая "звездная эпоха". В действие вступает сила тяготения, отныне преобладающая над всеми...
-
Сегодня космология еще не в состоянии ответить на ряд принципиальных вопросов. Среди них основные: что было до начала наблюдаемого расширения? Будет ли...
-
Микрофизика - Теории происхождения Вселенной
Вселенная микрофизика мир ньютон Согласно бурно развивающейся в последние годы кварковой теории все адроны состоят из "более" элементарных частиц --...
-
Остановимся подробнее на этапах развития Вселенной, попытаемся восстановить, опираясь на последние достижения современной физики, последовательность...
-
Теория стационарной Вселенной, Ненаучные концепции. Креационизм - Теории происхождения Вселенной
Кроме теории расширяющейся Вселенной существует теория, что Вселенная стационарна, то есть не эволюционирует и не имеет ни начала, ни конца во времени....
-
Введение - Космологическая проблема: Большой взрыв и основные этапы физической истории Вселенной
Что произошло первым цыпленок или яйцо. Другими словами, какая сила создала вселенную. И что создало эту силу. Или возможно, вселенная, или сила, которая...
-
Неортодоксальные взгляды - Теории происхождения Вселенной
В заключение стоит вкратце остановиться на так называемых неортодоксальных точках зрения на эволюцию и происхождение нашего мира. Неортодоксальные...
-
Горячая модель Вселенной - Эволюция вещества во Вселенной
Фундаментальное взаимодействие модель горячая вселенная Модель горячей Вселенной -- космологическая модель, в которой эволюция Вселенной начинается с...
-
Инфляционная Вселенная - Большой взрыв
Помимо вопроса о происхождении Вселенной современные космологи сталкиваются с рядом других проблем. Чтобы стандартная теория большого взрыва могла...
-
Модель Большого Взрыва - Расширяющаяся Вселенная и красное смещение
Модель эволюционной истории Вселенной, согласно которой она возникла в бесконечно плотном состоянии и с тех пор расширяется. Это событие произошло от 13...
-
Большой взрыв - Эволюция и происхождение Вселенной
О Большом Взрыве ежегодно публикуется огромное число статей и в научной и в научно-популярной печати. Но самое-то интересное заключается в том, что...
-
Заключение - Космологическая проблема: Большой взрыв и основные этапы физической истории Вселенной
Сегодня ученые в состоянии объяснить большинство свойств нашей Вселенной, начиная с момента в 10-42 секунды и до настоящего времени и даже далее. Они...
-
Образование вещества - Теории происхождения Вселенной
Спустя примерно 300 000 лет после Большого взрыва произошло значительно событие, которое отразилось на всей составляющей Вселенной. Иногда этот период...
-
Инфляционная модель Вселенной - Космологические модели Вселенной
Долгое время ничего нельзя было сказать о причинах Большого взрыва, переходе к расширению Вселенной. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся...
-
Модель Большого Взрыва - Теория Большого Взрыва
Итак, одна из современных теорий - теория Большого Взрыва (Big Bang) смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией. В...
-
Сценарий Большого взрыва - Большой взрыв
Как и любая схема, претендующая на объяснение данных о спектре микроволнового космического излучения, химического состава догалактического вещества и...
-
Дальнейшее развитие Вселенной и ее исследование - Теория Большого Взрыва
Теория большой взрыв вселенная Наша Вселенная постоянно эволюционирует, изменяется. Что же будет с нею в дальнейшем обозримом будущем? Учитывая что наша...
-
Эволюция Вселенной, Будущее расширяющейся Вселенной - Теории происхождения Вселенной
Будущее расширяющейся Вселенной Даже если Вселенная начала расширяться в момент Большого взрыва, не означает, что ее расширение будет длиться вечно. По...
-
Реликтовое излучение - Теория Большого Взрыва
Наиболее важным подтверждением теории БВ является обнаружение реликтового излучения (РИ) связанного, по-видимому, с существованием первоначального...
-
Квантовая физика и реальность - Большой взрыв
Все современные космологические теории также опираются на квантовую механику, которая описывает поведение атомных и субатомных частиц. Квантовая физика...
-
Теория Большого Взрыва. Развитие - Теория Большого Взрыва
Эта довольно стройная теория эволюционного развития Вселенной завоевала всеобщее признание астрофизиков во всем мире. Но по мере ее дальнейшего развития...
-
Сценарий Большого взрыва - Космические тела
Как и любая схема, претендующая на объяснение данных о спектре микроволнового космического излучения, химического состава догалактического вещества и...
-
Будущее Вселенной - Теории происхождения Вселенной
В космологии есть еще один вопрос, на котором нельзя не остановиться,-- будущее нашего мира. Ясно, что проблема эта, кроме всего прочего, имеет глубокий...
-
Микрофизика - Эволюция и происхождение Вселенной
Согласно бурно развивающейся в последние годы кварковой теории все адроны состоят из "более" элементарных частиц -- кварков. Если эта теория верна (а она...
-
Новые подходы - Теории происхождения Вселенной
Итак, самое начало рождения, планковское время 10-43 секунды. Плотность вещества 1094 г/см3. Температура 1032 К. В этом случае более удобно (и понятно)...
-
А был ли Большой Взрыв? - Открытие взрывающейся Вселенной
Космология вселенная галактика Ученых давно волновал вопрос о существовании модели Вселенной без начала, модели, в которой Вселенная бесконечна стара....
-
Проблема происхождения и эволюции Вселенной - Эволюция Вселенной
Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра (1894--1966), радиус Вселенной в первоначальном состоянии был близок радиусу электрона. В сингулярном...
-
Модель Большого взрыва - Космологические модели Вселенной
Теория Большого Взрыва (Big Bang) смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией. В основе этой теории лежит...
-
Отголоски начала - Теории происхождения Вселенной
Одним из первых физиков, подошедших вплотную к этому вопросу, был Г. Гамов. Произошло это, кстати говоря, несколько неожиданно, поскольку он занимался...
-
Заключение - Гипотеза происхождения Вселенной
Хотя сейчас физики и астрономы практически не сомневаются в правильности теории Большого взрыва, и в ее пользу говорит целый ряд научных фактов, расчетов...
-
Эдвин Хаббл и его исследования - Расширяющаяся Вселенная и красное смещение
Современная картина Вселенной возникла только в 1924 г., когда американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не единственная. Для...
-
Гипотеза большого взрыва - Основные характеристики Вселенной
Какой же была Вселенная в момент своего рождения? Этот вопрос имеет смысл, только если он относится к мгновению, следующему непосредственно за началом,...
Большой взрыв и краткая история Вселенной, Первые секунды после Большого взрыва - Теории происхождения Вселенной