Инфляционная стадия или стадия раздувания в возникновении Вселенной

По косвенным данным радиоактивного распада в метеоритах, возраст некоторых компонентов метеоритов 14 – 24 млрд лет. «Космическими часами» - служат радиоактивные атомные ядра с большими периодами полураспада тория, урана, плутония, йода, лютеция, гафния, рения, осмия. Возраст метеоритов установлен в пределах 17,6 млрд лет ± 4 млрд лет.

Открытие фонового или реликтового излучения (Арно Пензиас и Роберт Уилсон, 1965 г.): все мировое пространство заполнено равновесным фотонным газом с температурой»2,7 К (2,752 К с колебаниями около 20 mК).

Обнаружение «красного смещения» галактик (Эдвин П. Хаббл, 1929 г.) и установление закона «разбегания» галактик во Вселенной, иначе расширения Вселенной или нестационарности.

Химический состав Метагалактики един: 77% водорода, 22% гелия, 0,8% кислорода, 0,1% железа, 0,1% остальные элементы.

Модель «горячей» Вселенной

К модели «горячей Вселенной» или «Космологии Большого Взрыва» пришел Дж. Гамов, его интересовала относительная распространенность и происхождение химических элементов во Вселенной (знаменитая А-Б-Г – теория - Альфера, Бете и Гамова, 1948 г.).

Стандартная модель Вселенной основана на пяти экспериментальных фактах, которые теоретически интерпретируются ОТО.

4. Крупномасштабное распределение галактик соответствует некоторой постоянной плотности массы равной 0,3 барионов/м³. В 1958 г. Ян Х. Оорт дал оценку средней плотности барионной материи r ³ 1,7×10^-29 г/см³ или нуклонная плотность n_n ³ 3×10^-7 1/см³ = 0,3 барионов/м³.

«Физика» Вселенной в модели «горячей» Вселенной начинается с момента времени ~10^-36 – 10^-35 с от начала Большого взрыва: материя представляла собой «горячую плазму» с температурой ~10²⁹ К из элементарных частиц-«лептокварков», т.е. появились частицы, обладающие признаками лептонов и кварков, при их взаимодействии вещественная материя стала преобладать над антивеществом.

В момент времени ~10^-35 с в области температур 10²⁹ - 10²⁸ К произошла генерация барионного заряда материи – это эпоха рождения барионного избытка.

При температурах плазмы ~10¹⁷ - 10¹⁶ К (10^-10 с от БВ) имел место электрослабый фазовый переход – расщепление его на электромагнитное и слабое взаимодействия.

При температурах плазмы ~10¹² - 10¹¹ К (10^-4 с от БВ) кварки объединяются в протоны и нейтроны, кварки уже не могут существовать в свободном состоянии, наступило явление «невылетания кварков» или конфайнмент – эпоха конфайнмента кварков, до нее было состояние «кваркового супа»

При температурах ~10¹⁰ – 10⁹ К (в интервале от 1 до ~200 с от БВ) произошел синтез легких ядер (водорода и гелия) – это эпоха первичного нуклеосинтеза как заключительная стадия ранней Вселенной.

Следующая эпоха при температуре 3×10⁵ К (~700 лет после БВ) – эпоха доминирования темной (скрытой) материи. Предполагается, она состоит из нейтрино ненулевой массы и нейтралино.

При температуре 3×10³ К (через 700 тыс. лет после БВ) наступила эпоха рекомбинации водорода, объединяются протон и электрон в атом водорода, в один из самых распространенных элементов во Вселенной.

Эпоха рекомбинации водорода – совпадает с эпохой прозрачности Вселенной, свет (фотоны) отрываются от плазмы, Вселенная становится прозрачной.

Образование крупномасштабной структуры Вселенной, или образование сверхскоплений галактик.

В первые моменты образования Вселенной температура была столь высока, что в ней могли существовать лишь самые легкие элементарные частицы: фотоны, нейтрино и т.д. Быстрое расширение горячего сжатого “газа” сопровождалось его охлаждением. На первых секундах расширения произошло образование электронов и протонов в виде горячей плазмы, которые сильно взаимодействовали друг с другом и с излучением, на долю которого приходилась основная доля энергии во Вселенной. На ранней стадии, длящейся около 1 млн. лет, во Вселенной преобладали электромагнитные и ядерные взаимодействия. При дальнейшем понижении температуры произошла рекомбинация электронов с протонами в нейтральные атомы водорода. С этого момента взаимодействие излучения с веществом практически прекратилось, и доминирующая роль перешла к гравитации. Излучение, возникшее на стадии горячей Вселенной и постепенно остывающее в результате ее расширения, дошло до нас в виде реликтового фона.

Первые секунды жизни Вселенной сегодня можно изучать экспериментально на современных ускорителях элементарных частиц, способных воспроизводить физические условия, когда возраст Вселенной составлял 10^-4 с, температура 10¹² К, а вся наблюдаемая сегодня Вселенная была «сжата» до размеров Солнечной системы.

Ранняя Вселенная (на языке физики) представляется как гигантская лаборатория природы физических процессов, не воспроизводимых в земных условиях.

На последующих стадиях – уже модели т.н. “холодной” Вселенной на фоне продолжающегося расширения и остывания вещества стали возникать гравитационные неустойчивости: за счет флуктуаций плотности водородного газа стали возникать зоны его уплотнения, притягивающие к себе газ из соседних областей и еще больше усиливающие собственное гравитационное поле.

Самоорганизация вещества во Вселенной (как сложной неравновесной системы, описываемой нелинейными уравнениями гравитации) в конечном итоге привела к возникновению крупномасштабной квазиупорядоченной межгалактической ячеистой структуры, а ее дальнейшая фрагментация дала начало будущим галактикам и звездам. Теория нестационарного движения вещества – это сложные уравнения гидрогазодинамики. В результате гравитационного сжатия выделяющаяся энергия приводила к вторичному разогреву «водородного топлива» до температур, достаточных для начала термоядерных реакций водородного цикла.

В 1980 г. американский ученый А.Гут (род. 1947) выдвинул идею очень быстрого расширения ранней Вселенной, названного раздуванием или инфляцией, подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной происходило со все возрастающей скоростью. Вселенная возникла из очень горячего состояния, в котором сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия были объединены в одно. По мере расширения Вселенной она охлаждалась, это привело к своеобразному фазовому переходу, симметрия сил была нарушена: сильное взаимодействие отделилось от электрослабого (слабое и электромагнитное как единое целое).

Гут предположил, что Вселенная могла вести себя как «переохлажденная» жидкость, т.е. охладилась ниже точки замерзания без образования льда. Вселенная оказалась в нестабильном (неустойчивом) состоянии (состояние «ложного вакуума»), что привело к антигравитационному действию аналогичному действию космологической постоянной Эйнштейна. Отталкивание превысило гравитационное притяжение (антигравитация превысила гравитацию) и Вселенная расширилась (раздулась) с возрастающей скоростью. При этом нарушилась симметрия сил, выделилась энергия и за счет этого Вселенная разогревается до температуры ~ 10²⁹ К. В результате этого фазового перехода прекращают действовать силы отталкивания, Вселенная продолжает расширяться, но расширяется уже с замедлением скорости. С этого момента Вселенная начинает эволюционировать так, как предсказывает модель «горячей» Вселенной Гамова. По гипотезе Гута внутри старой фазы образуются «пузырьки» новой фазы нарушенной симметрии (аналог «пузырьки пара в кипящей жидкости), которые расширяясь сливаются до тех пор, пока Вселенная не окажется в новой фазе. Английский физик-теоретик С. Хокинг (род. 1942) и другие ученые показали, что быстрое расширение пузырьков не привело к их сливанию, т.к. удаление их друг от друга происходило с еще большей скоростью (даже больше скорости света), но тогда Вселенная должна остаться в очень неоднородном состоянии, что не соответствует наблюдаемому сейчас ее состоянию.

В 1983 г. российский физик А.Д. Линде предположил т.н. хаотическую модель раздувания Вселенной: в ней присутствует квантовое поле, с квантовыми флуктуациями в некоторых областях ранней Вселенной, приводящие к гравитационному отталкиванию и раздуванию этих областей. По мере раздувания энергия поля этих областей уменьшается до тех пор, пока раздувание не перейдет в расширение, как в «горячей» модели Большого взрыва. Это должно произойти в период ~10^-36 – 10^-35 с от начала раздувания. Одна из областей могла превратиться в современную наблюдаемую Вселенную.

В предположении Линде исходным состоянием квантового поля является физический вакуум с виртуальными парами «частица – античастица». В результате флуктуации вакуум переходит в возбужденное состояние, называемое ложным вакуумом, с гигантскими антигравитациоными силами (силами отталкивания) и температурой ~ 10³² К. Под действием этих сил произошло раздувание ложного вакуума с понижением температуры – «пузырей пространства», зародышей одной или нескольких вселенных. При распаде неустойчивого ложного вакуума исчезает отталкивание, и скорость расширения Вселенной начинает замедляться уже под действием гравитационных сил притяжения, а вся запасенная потенциальная энергия вакуума выделяется в виде рождения частиц и их кинетической энергии. Образуется горячая плазма из элементарных частиц с температурой ~ 10²⁹ К (соответствует энергии ~ 10¹⁶ ГэВ).

Вероятно, формирование пространственно-временных характеристик нашей Вселенной произошло в период с 10^-43 – 10^-42 с, с этого момента начинается эпоха (стадия) инфляции, которая проходила с 10^-42 до 10^-36 с. С окончанием эпохи инфляции рождается материя, эволюция которой происходит в соответствии с моделью «горячей» Вселенной.

Космология инфляционной эпохи в расширяющейся Вселенной предполагает творение Вселенной. Начало Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние вакуумной квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10^{-50 см (размер атома 10-8 см, атомного ядра 10-13 см). Основные события в ранней Вселенной разыгрывались в интервале от 10-42} до 10^-36 с.

Различия в объяснении механизмов космической эволюции связаны с расхождением мировоззренческих установок. Естествознание рассматривает концепцию эволюции Вселенной, связанную с концепцией самоорганизации материи: материальная Вселенная является единственной реальностью, в ней идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении становления все более сложных структур; динамический хаос порождает порядок.

Согласно концепции творения, эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяющей реальность более высокого порядка, чем материальный мир. Физическая структура Вселенной запрограммирована и направлена к появлению жизни, другими словами конечная цель космической эволюции – появление человека во Вселенной в соответствии с законами Творца.

Приложение

Литература: Эбелинг В., Р. Файстель. Хаос и космос: синергетика эволюции. – Москва-Ижевск, 2005.

Дата добавления: 2014-01-07