14. Конкретно-научное содержание и мировоззренческие основания космогонических теорий.

Автор: Нукижат Джалалова

Теория Большого взрыва:

• под Большим взрывом понимают гипотетическое событие, в результате которого возникла вселенная и началась ее дальнейшая история.

• чаще всего и в физике и в астрономии Большим взрывом называют не начальное событие космологического масштаба, а сам процесс разворачивающийся в пространстве и времени становления нашего мира.

• от начала Большого взрыва до современности насчитывают порядка 15 млрд лет

Теория инфляции:

• Представление о том, что существует компенсирующая гравитацию сила в космическом отталкивании, невероятной величины, которая смогла разорвать некое начальное состояние материи

• Предполагается, что сингулярность, бесконечная плотность массы и бесконечная кривизна – то есть расстояние между соседними галактиками должно было равняться 0 – вот основные характеристики этого первоначального состояния.

В 20 веке ядерная физика и термодинамика подключились к описанию вопроса происхождения вселенной и считается, что состояние мира в первые секунды космологической эволюции можно описать прибегая к закономерностям известным в ядерной физике.

Гамовская теория “Горячей вселенной”:

• Температура космической среды могла быть столь высокой до миллиардов градусов, что тепловая энергия частиц была больше энергии связи в атомных ядрах. При таких условиях в космическом пространстве, плазма, представлявшая собой смесь протонов, нейтронов и электронов, постепенно охлаждалась. И по мере охлаждения, когда значения достигли нескольких миллиардов градусов начались термоядерные реакции, например, образование ядер гелия.

• Гамов провел точный расчет, показал, какое количество вещества может образоваться при таких процессах, сделав предсказание, что эта доля гелия должна сохраняться и посей день. И соответственно эти показатели, когда их измерили, оказались близки предсказанным. Это одно из доказательств существования Большого взрыва. А другое доказательства- это доказательство, связанное с фиксацией реликтового излучения.

• Реликтовое электромагнитное излучение было открыто американцами в 1964-1965 году. Было обнаружено, что вселенная пронизана излучением, которое приходит к нам со всех сторон. Это физический термин – изотропно - равномерно из всех направлений.

• Факт открытия реликтового электромагнитного излучения является прямым доказательством того, что Большой взрыв имел место, и вселенная изначально была очень горячей. Дело в том, что температура является мерой энергии или скорости частиц. Соответственно то, что вселенная сначала была очень горячей, а потом остывала – это имеет решающее значение для материи.

При крайне высоких температурах стремительное движение частиц препятствует их взаимному притяжению и не образуются макроскопического размера тела, к которым мы привыкли. А когда температура падает, частицы начинают притягиваться друг к другу, начинают соединяться, и вот то, что в реликтовом излучении, реликтовые фотоны приходят равномерно со всех сторон. То картину, которую они дают, казалось бы, она однообразна – эта рябь на экране. Однако на самом деле это доказательства, что изначально вещество во вселенной было распределено во всех направлениях одинаково, изотропно.

Изначально была некая область, занятая инфлатонным полем – это особое состояние вещества, наука не знает какого, в котором периодически происходит флуктуации, но такие, что средние значения остаются одинаковыми. Флуктуации – это случайные отклонения от средних значений. Так вот эта гипотетическая область расширялась очень быстро, со скоростью выше скорости света. Сейчас мы не имеем дела с такими скоростями, потому что быстрее скорости света тела двигаться не могут. Но в космогонической картине описывается движение гипотетической, нематериальной границы той области, где рождалась вселенная.

И окружающая среда не сопротивлялась этому расширению, потому что ее как бы не существовало для возникающего мира. Ключевое допущение, которое делает современная наука - мы можем судить только о вселенной, в которой сами находимся. Поэтому идея, что где-то могут быть параллельно возникать вселенные со своими физическими характеристиками, что ситуация существования инфлатонного поля не закончилась возникновением нашего мира мы как внутренние наблюдатели всего этого зафиксировать не можем.

Когда закончился процесс инфляции гипотетического расширения вселенной, наблюдатель бы увидел вселенную, заполненную энергией в виде материальных частиц и фотонов. И сразу после рождения вселенная росла, но при росте она охлаждалась. И вот когда охлаждение достигло таких температур, когда стало возможным преодолеть силу отталкивания, стали объединяться элементарные частицы, тогда пространство стало замедлять свое расширение. То есть расширение меняло состав материи, наполнявшей мир. Когда это произошло? Через секунду после большого взрыва вселенная расширилась настолько, что ее температура упала до десяти миллиардов градусов. Это в 1000 раз больше чем в центре Солнца. И вселенная оказалась заполненной знакомыми современной науке элементарными частицами – фотонами, нейтронами, протонами и тд.

А вот здесь тоже интересный момент. Свойства частиц и античастиц практически идентичны. Античастицы – имеют такую же массу, но противоположный по направленности электрический разряд и ряд других характеристик. Например, античастица электрона – позитрон, она имеет положительный заряд.

Если частица и античастица встречаются, они взаимно уничтожают друг друга. И вот вопрос – почему, если частицы и античастицы рождались симметрично, мы живем все-таки в мире из материальных частиц. Почему частиц больше, чем античастиц? Реликтовое излучение – это как раз последствие аннигиляции, взаимного уничтожения частиц и античастиц. Сейчас энергия реликтового излучения в 10 в 4 степени раз меньше, чем фиксируют ученые в массивных элементарных частицах. А дальше падение температуры продолжалось. Когда достигло 1 миллиарда градусов, это температура недр самых горячих звезд. В этот момент возраст вселенной – 1 минута. Примерно 100 секунд. В этих условиях энергии протонов и нейтронов уже не достаточно для преодоления сильного ядерного взаимодействия, они начинают сливаться, образуются ядра дейтерия, гелия, трития. И это происходило благодаря ядерным реакциям.

Вот поскольку термоядерные реакции уже хорошо изучены наукой, все что происходит дальше, в большей степени обосновано. Вообще-то первые 200 секунд существования вселенной самые проблемные для науки. А еще более проблемные первые 100.

Значит с открытием колебания температуры, реликтового излучения, появилась возможность объяснить принцип формирования галактик.

В областях, где плотность была чуть выше средней, расширение дополнительно тормозилось гравитационными взаимодействиями. То есть в каких-то участках возникла избыточность вещества и если материя стала распределяться в пространстве неравномерно, то вот в этих зонах повышенной плотности где действовали силы гравитации, под действием сил гравитации расширение останавливалось, оно уступало место сжатию. И если эта стягивающаяся область начинала вращаться, а почему она начинает вращаться, мы знаем, когда фигурист прижимает к себе руки, он вращается быстрее, происходит сжатие – процесс вращения ускоряется.

И когда размеры такой области стали достаточно малыми, ее вращение ускорялось настолько, что оно могло сбалансировать гравитацию. Образовывались вращающиеся спиральные галактики, и мы позже увидим, что такой галактикой является и наша.

Со временем водородный гелиевый газ распадался на отдельные облака, которые опять коллапсировали под действием собственного тяготения и так образовывались звезды первого поколения. А потом каждая звезда, когда водород выгорал, звезда взрывалась и то вещество, которое образовывалось – вырывалось наружу. И явление такое называют взрывом сверхновой звезды.

Бозон Хиггса - гипотетическая частица, которая была предсказана, и которая долгое время считалась недостающим элементом для понимания того, как возник наш мир. Поле Хиггса и, соответственно, Бозон Хиггса, которая образует поле, названы в честь английского физика, который в середине 60-х годов предсказал существование этой элементарной частицы, которая может объяснить почему возникают тяжелые частицы. Бозон Хиггса необходим для того, чтобы объяснить как после большого взрыва, когда вселенная начала формироваться, фотоны и электроны замедлились и начали объединяться друг с другом. Есть еще интересная аналогия: представьте зал, в котором проходит вечеринка, на которую приходит какая-то публичная личность. Эта публичная личность всегда движется по залу медленнее, чем остальные гости (т.к. ему вечно надо останавливаться для селфи/автографа и т.д.). По такой аналогии, остальные люди в зале - поле Хиггса, а знаменитость - частица, движение которой тормозится этим полем Хиггса.