Теория Большого взрыва

Большой взрыв – общепринятая космологическая модель⁽¹⁾, описывающая раннее развитие Вселенной, а именно – начало расширения Вселенной, перед которым она находилась в сингулярном состоянии⁽²⁾.

(1)    Космологические модели - модели, описывающие развитие Вселенной как целого.

(2) Космологическая сингулярность - состояние Вселенной в начальный момент Большого взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества.

По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,799 ± 0,021 млрд. лет назад из некоторого начального сингулярного состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий, наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи  с температурой примерно 10³² К (Планковская температура) и плотностью около 10⁹³ г/см³ (Планковская плотность).

Создание теории началось в 1922 году, когда советский физик        А.А. Фридман нашел нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна и предсказал процесс расширения Вселенной (нестационарная космологическая модель). Исходя их этого решения, можно сделать вывод, что должна существовать некоторая точка (область), соответствующая началу расширения. Поскольку во Вселенной довольно часто происходят различного рода процессы взрывного характера, то Фридман предположил, что в  основе начала развития Вселенной также лежит взрывной процесс – Большой взрыв. Большую роль в развитие и совершенствование ТБВ внес Георгий Гамов.

Первоначально теория Большого взрыва именовалась “динамической эволюционирующей моделью”. Впервые термин “Большой взрыв” (Big Bang) применил Фред Хойл в своей лекции в 1949 году.

Для большей наглядности описания процессов, происходивших во время Большого взрыва (БВ) и после него, выделим несколько временных интервалов. Естественно, что такое деление является чисто условным. 

(3) В квантовом пределе гравитационное взаимодействие предположительно описывается (должно описываться) квантовой теорией гравитации, которая ещё не разработана.

(4) В соответствии с инфляционной моделью сразу после БВ Вселенная должна была иметь очень небольшой размер. Но за очень короткое время этот размер увеличился на 50 порядков. После окончания процесса инфляционного раздувания Вселенная продолжала расширятся, но темп расширения существенно замедлился.

(5) Кварк-глюонная плазма (кварковый суп, хромоплазма) – это агрегатное состояние вещества в физике элементарных частиц.

(6) Дейтерий (тяжелый водород) – один из двух стабильных изотопов водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Молекула D₂ – двухатомна. Содержание в природном водороде – 0,012–0,016%.

(7) Нуклеосинтез (от лат. nucleus “ядро” и др. греч. Σύνθεσις “соединение, составление”) - природный процесс образования ядер химических элементов тяжелее водорода.

(8) Рекомбинация  - процесс, обратный ионизации. Состоит в захвате ионом свободного электрона

Адрон (от греч. “массивный”, “крупный”) - любая частица, принимающая участие в сильных взаимодействиях. Адроны делятся на барионы (такие, как нейтрон и протон) и мезоны.

Лептоны (от греч. “легкий”)  - класс частиц, не принимающих участия в сильных взаимодействиях, и включающий электрон, мюон и нейтрино.

Кварки - гипотетические фундаментальные частицы, из которых, по предположению, состоят все адроны. Изолированные кварки никогда не наблюдались, и имеются теоретические основания подозревать, что кварки, хотя они в определенном смысле реальны, никогда не могут наблюдаться как изолированные частицы. Подвержены сильному ядерному взаимодействию.

Нейтрон - нейтральная частица, составляющая, наряду с протоном (положительно заряженный), атомные ядра. Протоны и нейтроны составлены из двух типов кварков (именуемых верхним и нижним кварками.) Протон состоит из двух верхних (up) и одного нижнего (down), а нейтрон из двух нижних и одного верхнего.

Глюоны (от английского “glue” – клей, склеивать) - частицы-переносчики сильного взаимодействия. Вместе сильным ядерным взаимодействием “струятся между кварками”, “склеивая” их вместе.

Электрон - легчайшая из массивных элементарных частиц. Все химические свойства атомов и молекул определяются электрическим взаимодействием электронов друг с другом и с атомными ядрами.

Позитрон - античастица электрона. Имеет такую же массу, но его электрический заряд равен +1, тогда как у электрона он составляет −1.

Мюон - нестабильная элементарная частица с отрицательным зарядом, похожая на электрон, но в 207 раз более тяжелая.

Фотон (от греч. “свет”) – это элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения. Не имеет массы (масса покоя фотона равна нулю). Способен существовать в вакууме только лишь двигаясь со скоростью света. Фотон является не только частицей, но и переносчиком взаимодействий. Имеет положительную энергию.

Нейтрино - безмассовая электрически нейтральная частица, способная только к слабым и гравитационным взаимодействиям.  Существуют, по крайней мере, две разновидности нейтрино, известные как электронное (μе) и мюонное (νμ).

Барионы - класс сильновзаимодействующих частиц, включающий нейтроны, протоны и нестабильные адроны, известные как гипероны.

Фермионы - это частицы с полуцелым спином (например, 1/2), из них состоит обычное вещество. Энергии их основного состояния отрицательны.

Бозоны - это частицы с целым спином (0, 1, 2 ит. п.). Они связаны с силами, которые действуют между фермионами, например с гравитационным взаимодействием и светом. Энергии их основного состояния положительны.

Через 1 секунду после БВ в связи с огромным преобладанием фотонов, наша вновь рожденная Вселенная содержала в себе главным образом свет. Да и в последующие несколько сотен тысяч лет излучение было доминирующей составляющей Вселенной.

С того момента когда гравитация становится доминирующей силой во Вселенной (см. Таблицу выше) начинается процесс формирования звезд и их систем. Главная функция в этом процессе принадлежит темной материи (ТМ). Именно частицы темной материи первыми начали собираться в крупные образования. Это произошло потому, что частицы ТМ имеют гораздо меньшую способность к взаимодействию и не настолько сильно (по сравнению с частицами “светлой” материи) были  связаны различными силами в плазме.

Таким образом, когда сила радиации ослабла, наступила эпоха доминирования вещества. Однако еще не “светлого” вещества, а именно темной материи.

Но именно темная материя, стекая в первичные, слу­чайно возникшие и пока еще незначительные гравитацион­ные “ямы”, начала “углублять” последние, подготавливая их для барионной материи. Лишь спустя 300 тыс. лет после Большого взрыва излучение “отклеилось” от барионного вещества и получило возможность распространяться свобод­но.  Температура  Вселенной   упала   до 3000К, и ядра получи­ли возможность захватывать электроны. Барионная материя начала “сползать” в подготовленные темной материей гра­витационные “ямы”, подготавливая рождение крупномас­штабной структуры Вселенной. Надо сказать, что каждая такая “яма” дала начало скоплению, а то и сверхскоплению га­лактик.

Л.Е. Гринин “Большая история развития мира: космическая эволюция”

Именно в этот период были запущены два, по своей сути, противоположные процесса. Вселенная продолжала расширяться и в то же время материя Вселенной начала концентрироваться.

Ведь чтобы гравитационные силы сжимали материю, необходим исходный зародыш - область с повышенной плотно­стью. Если материя распределена в пространстве равномерно, то гравитация, подобно Буриданову ослу, не знает, в каком направле­нии ей действовать.

Л.Е. Гринин “Большая история развития мира: космическая эволюция”

Объекты Вселенной начали формироваться из газопылевых (молекулярных) облаков, которые под воздействием силы гравитации начали  сжиматься. При сжатии газа происходило его постепенное нагревание. Когда температура достигала определенных граничных температур, происходил запуск термоядерной реакции превращения водорода в гелий, то есть такой объект начинал излучать энергию в виде света и тепла, тем саамы он превращался в звезду.

Процесс этот был весьма длительным. По последним оценкам ученых первые звезды сформировались через  300 – 350 миллионов лет после БВ, а их системы и того позже. Тем ни менее, процесс, запущенный БВ, остановить было уже невозможно. Он продолжается по нынешнее время. 

Таковы, в общих чертах, основные моменты теории Большого взрыва⁽⁹⁾.

(9) Интересно, что католическая церковь ухватилась за модель Большого Взрыва и в 1951 году официально провозгласила, что эта модель соответствует Библии.