12 Гипотеза большого взрыва

Одной из наиболее распространенных в научном мире является гипотеза «горячей Вселенной» или гипотеза «Большого взрыва». Идею Большого взрыва высказал каноник Леметр, президент папской академии в Риме, а теорию разработал в сороковых годах американец русского происхождения Г. Гамов (1904-1968) — личность выдающаяся для ХХ столетия. Он также разработал теорию a-распада, теорию образования химических элементов, предложил первую модель генетического кода.  Теория Большого взрыва рисует перед нами грандиозный процесс эволюции материи, бесконечный в пространстве и времени. По этой теории модель эволюции Вселенной следующая. Вначале Вселенная представляла шар малых размеров — сингулярность,состоящий из элементарных частиц и фотонов. Под влиянием фундаментальных взаимодействий, которые были «сплавлены воедино», непрерывно протекал процесс их взаимного превращения. Откуда взялась эта сингулярность, никто ни объяснить, ни предположить не может. В результате каких-то флуктуаций процесс взаимного превращения частиц и излучения стал нестационарным, произошел взрыв и началось расширение. И вот уже 20 миллиардов лет мир летит, обретая новые качества. Схема этого процесса представлена на рис. 13.  При расширении уменьшалась плотность и температура газа. В рамках предложенной модели эти зависимости имеют вид:  r = 8*105/t2 , г/см3 Т = 1011/t, К, где r — среднее значение плотности материи в момент времени t, а Т — температура. Буквально через доли секунды после взрыва температура Вселенной была 1016-1018 К. При таких гигантских температурах вещество может существовать лишь в виде смеси элементарных частиц (плазмы). Для этого состояния характерны хаотическое движение частиц, высокая энтропия, отсутствие обратной связи.  При высоких температурах энергии частиц (а, следовательно, и их скорости) настолько велики, что соединение частиц в более сложные образования (атомы) просто невозможно. При расширении Вселенной с понижением температуры и давления меняется качественный состав элементарных частиц.

Уже через промежуток времени 10-23 с во Вселенной стали преобладать тяжелые частицы. До этого момента все четыре типа фундаментальных взаимодействий были объединены, затем они стали постепенно разделяться. Современная наука может наблюдать их только по отдельности. Дальнейшее расширение было связано с превращением тяжелых частиц в легкие, и примерно через 10-4с наступила эпоха легких частиц. В этот период аннигиляция частиц и античастиц приводит к появлению мощного поля излучения и примерно через 10с от начала взрыва, когда температура стала 1010К, а плотность материи 8*103 г/см3, наступает эпоха излучения. К этому моменту во Вселенной еще оставалось относительно небольшое число тяжелых и легких частиц, между которыми «вяло» протекали процессы превращения. Примерно через 100с температура упала до 109К, а плотность до 80 г/см3 (но и сегодня на Земле нет ни одного вещества, которое бы имело такую плотность). Снижение температуры привело к снижению скоростей частиц, а, следовательно, к увеличению времени их столкновения. Но так как энергия фотонов все еще была значительно больше энергии связи электронов и ядер, образования атомов не происходило. Процесс синтеза легких атомов (преимущественно водорода и гелия и небольшого количества лития и бериллия) начался при температуре 107К. При образовании атомарных систем преобладают сильные и электромагнитные взаимодействия, благодаря этому на микроуровне происходит упорядочивание отдельных частиц, снижается энтропия микросистем, хотя в макромасштабе повышение энтропии продолжается. Через несколько часов от начала взрыва образование легких химических элементов закончилось.  Сверхплотная материя превратилась сначала в образование с плотностью, близкой к плотности воды, через несколько часов плотность стала сравнима с плотностью нашего воздуха, а сейчас средняя плотность материи во Вселенной составляет всего 10-31 г/см3 . Когда разные типы взаимодействия разделились, произошло структурирование материи в атомы. Ведущую роль в масштабах Вселенной начали играть силы гравитации. Под их влиянием и происходит ее самоорганизация и структурирование. Эти детали удалось воспроизвести с помощью методов математического моделирования на ЭВМ.  Вселенная стала «прозрачной», но «эхо Большого взрыва» — остатки «реликтового» излучения должны были сохраниться до наших дней. И хотя его интенсивность очень слаба (всего 500 фотонов на 1 см3), а температура 2-10 К оно, все-таки было обнаружено в шестидесятых годах ХХ столетия двумя американскими учеными А. Пензиасом и Р. Уилсоном. . Не менее важным подтверждением того, что именно так и происходило рождение Вселенной служат исследования высокотемпературной плазмы и физики элементарных частиц, проводимые на Земле.