2.7. Физика Вселенной

Физика Вселенной изучается космологией – астрофизической теорией структуры и динамики изменения Метагалактики, включающей в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной. Выделяют также астрофизику, включая в нее не только космологическую, но и космогоническую науку о структуре и динамике изменения нашей солнечно-планетной системы. Очень часто астрофизические космологические и космогонические теории объединяют в единое понятие физики Мегамира.

Схема 30. Мегамир.

Фрактальная структура стрел времени опирается на принцип глобального эволюционизма, ярко выраженного в основной идее астрофизики: «Звезды рождаются, живут и умирают, как и всё в этом мире». Для обоснования концепции стрел времени важную роль играет энтропия Вселенной – её количественная оценка и характер распределения между основными материальными объектами. Соответствующие оценки, проведенные для Вселенной, показывают, что основным носителем энтропии Вселенной, играющим тем самым роль её «термостата», является реликтовое фоновое космическое излучение, состоящее из безмассовых частиц (фотонов, нейтрино). Наличие массы у нейтрино носит в настоящее время в значительной степени гипотетический характер. Соответствующая энтропия составляет величину S_изл.~ 10⁹⁰ (в расчете на единицу сопутствующего веществу объема Вселенной). Заметим, что величина S_изл. практически не изменяется с очень ранних стадий эволюции Вселенной (начиная с 1 с после Большого взрыва). С другой стороны, суммарная энтропия S_изл для совокупности массивных объектов (космических тел) Вселенной ничтожна мала по сравнению с S_изл.. Наконец, оценка максимально возможной энтропии Вселенной в гипотетическом полностью равновесном состоянии «черной дыры» с той же массой составляет S_{равн .}~ 10¹²⁴ . Таким образом, принимая, что при бесконечно больших временах энтропия Вселенной стремится к своему равновесному значению, для слагаемых полной энтропии Вселенной S_Вс = S_изл. + S_вещ. получаем следующую цепочку неравенств:

S_вещ. << S_изл << S_равн.

Из нее следует, по крайней мере, два важных вывода. Во-первых, эволюция во Вселенной идёт (и, по-видимому, ещё долго будет продолжаться), по существу, в характерных для изолированной системы условиях, когда

S_Вс = S_изл. + S_вещ. » S_изл = const. Во-вторых, окружающая нас часть Вселенной ещё очень далека от своего максимального неупорядоченного (равновесного) состояния, соответствующего полному коллапсу. Возможно, именно эта неравновесность наблюдаемой Вселенной является причиной справедливости второго начала термодинамики для всех замкнутых подсистем в ней.

Наконец в контексте неравенства S_вещ. << S_изл становится вполне понятным весьма важный феномен спонтанного возникновения «порядка из хаоса», который описан И.Р. Пригожиным. Он заключается в том, что в природе при определенных условиях становится вполне возможным процесс самоорганизации, т.е. образование компактных структур с достаточно большими флуктуациями их «внутренней» энтропии D S , при D S < 0 эти процессы сопровождаются усложнением структуры, при D S > 0 – их упрощением, деградацией, но в любом случае |D S| << S_изл . Существенно, что при D S < 0 происходит компенсация убыли энтропии в системе и её избыток в виде «внешней» энтропии (по абсолютной величине превосходящей |D S|) отдаётся термостату, так что в конечном итоге энтропия Вселенной всё-таки возрастает в полном соответствии со вторым началом термодинамики.

Древо эволюции в концепции стрел времени использует в качестве корневой системы стандартную теорию Большого взрыва и представлено на схеме 31.

Схема 31. Древо эволюции мира (универсума) в контексте стрел времени.

Экспериментальным подтверждением стандартной теории Большого взрыва являются:

1. Расширение Вселенной – разбегающиеся галактики (красное смещение линий в спектрах элементов удаленных галактик в сторону более длинных волн по сравнению с линиями в спектрах аналогичных элементов на Земле).

2. Реликтовое излучение фотонов и нейтрино, образовавшихся в ранней стадии расширения Вселенной.

3. Химический состав наблюдаемой части Вселенной в среднем одинаков: вещество в ней на 77% состоит из водорода и на 22% - из гелия, причем такое значительное обилие гелия невозможно объяснить термоядерными реакциями в звездах.

4. Значительное превышение концентрации фотонов космического электромагнитного излучения, не имеющего никакого отношения к излучению наблюдаемых ныне звезд и других объектов, над концентрацией вещества (барионов-протонов и нейтронов):

5. Оценки возраста горных пород Земли и метеоритов дают значения времени их существования 4,5…17,5 млрд. лет, что служит косвенным указанием для величины возраста Вселенной.

6. Вселенная в целом находится в состоянии, далеком от теплового равновесия, и в условиях, когда видимое вещество в ней очень разрежено.

7. Модель Галактики и Метагалактики, приведенная ниже (схема 32).

Схема 32. Модель Галактики и Метагалактики.

Масштаб: Земная орбита = внутренней орбите атома водорода в классической модели Бора (радиус этой орбиты равен 0,53×10-8см) Галактика в этом масштабе: Расстояние до ближайшей звезды Проксима будет 0,014 мм; Расстояние до центра Галактики около 10 см; Размеры нашей звездной системы будут около 35 см; Диаметр Солнца будет 0,0046А (ангстрем – единица длины, равная 10-8см). Реальные размеры Галактики: диаметр – 120 тыс. световых лет, толщина 10 тыс. световых лет

Метагалактика в этом масштабе: Расстояние до туманности Андромеды будет 6м (реальное её удаление 1,5 млн. световых лет); Расстояние до центральной части скопления галактик в Деве, куда входит и наша местная система галактик будет 120м, причем такого же порядка будет размер самого скопления (реальное удаление 50 млн. световых лет); Расстояние до радиогалактики Лебедь-А будет 2,5км; Расстояние до радиогалактики 3С-295 будет 25км (реальное ее удаление 5 млрд. световых лет). Скорость удаления радиогалактики Лебедь-А – около 17 тыс. км/с, радиогалактики 3С-295 – около 138 тыс. км/с Реальные размеры Метагалактики около 20 млрд. световых лет

В стандартной модели эволюции на космологическом уровне выделяют основные этапы космической шкалы времени, которые совместно с характерными процессами им соответствующими, приведены фрагментарно в схеме 33.

Схема 33 . Космическая шкала времени в стандартной космологической модели эволюции Вселенной.

Этапы			Характерные процессы	Время от сегодняшнего момента
Название	Космическое время	Температура (К)
1. Начальное состояние Вселенной – сингулярность			Существуют две модели сингулярности точечная (пузырьковая) и струнная. Для обеих моделей характерным является переход к стандартной модели Большого взрыва
2. Большой взрыв	0		В пузырьковой модели Вселенная от первоначального сингулярного состояния перешла к расширению (около 20 млрд. лет назад). В результате Большого взрыва образовалась не только материя, но и пространство-время, задающее начало рождения Вселенной. В струнной модели задание времени рождения Вселенной оказывается сложной гипотетической задачей. Общим в обеих моделях является существование единого фундаментального взаимодействия.	20 млрд. лет
3. Этап первичного синтеза, включающий в себя следующие эпохи: 3.1 Планка; 3.2 Барионов; 3.3 Адронов; 3.4 Лептонов; 3.5 Синтеза ядер; 3.6 Вещества; 3.7 Прозрачной Вселенной.	10-42с 10-35с 10-6с 10-3с 100с 104 лет 2×105 лет	1032 1028 1014 1012 109 3500	Рождение элементарных частиц, во Вселенной доминирует излучение; установление числа барионов; возникновение асимметрии между материей и антиматерией; аннигиляция протоно-антипротонных пар; аннигиляция электронно-позитронных пар; становление первоначального физико-химического состава Вселенной (ядер водорода -70%, ядер гелия (a-частиц) – 30%); во Вселенной начинает доминировать вещество, состоящее из нейтральных атомов водорода, дейтерия и гелия с небольшой примесью водорода; отделение излучения от вещества.	19,7 млрд. лет
4. Этап формирования галактик, в том числе и нашей галактики, включающий в себя следующие эпохи: 4.1 Начало образования галактик; 4.2 Галактики начинают образовывать скопления; 4.3 Сжатие нашей протогалактики; 4.4 Образование звезд; 4.5 Образование межзвездного облака, давшего начало Солнечной системе; 4.6 Образование планет.	1-2 млрд. лет 3 млрд. лет 4 млрд. лет 4,1 млрд. лет 15,2 млрд. лет 15,4 млрд. лет	2,7	Создание неустойчивостей относительно флуктуаций плотности за счет гравитационного взаимодействия в неравновесной смеси газов из нейтральных атомов и фотонов. Гравитационному коллапсу (полному сжатию) препятствуют вращение и внутреннее давление, причем до отделения излучения от вещества силы давления излучения превышали гравитационные. Критический размер и масса объекта, для которого обе силы (гравитации и внутреннего давления) уравновешиваются, называются длиной и массой Джинса. Если исходный размер объекта превосходит длину Джинса, должна наблюдаться его фрагментация. Если же этот размер меньше длины Джинса, то объект должен коллапсировать как целое. Образование иерархической структуры Вселенной – галактик, их скоплений, с одной стороны, и звезд, шаровых скоплений, планет и т.п., с другой – обусловлено флуктуациями плотности, имеющими различную природу. Формирование галактик сопровождалось возникновением и эволюцией звезд различных масс, в которых путем различного рода ядерных реакций создавались в разных пропорциях легкие, средние и тяжелые элементы.	19 – 18 млрд. лет 17 млрд. лет 16 млрд. лет 15,9 млрд. лет 4,8 млрд. лет 4,6 млрд. лет

Рассмотрим фрагментарно классификацию галактик и звезд (схема 34).

Схема 34 . Классификация галактик.

Наименование	Тип	Масса в массах Солнца
Яркие сверхгигантские галактики	Эллиптические	1013
Сверхгигантские галактики	Эллиптические и спиральные	1012 – 1011
Гигантские и карликовые галактики	Эллиптические, спиральные и неправильные	1010 – 108
Карликовые галактики и пигмеи	Эллиптические	107 – 106

Млечный путь входит в группу, включающую около двадцати галактик, которую называют Местной. Помимо нашей галактики в неё входит туманность Андромеды – гигантская спиральная галактика (М 31, расстояние до неё 670 килопарсек или 1,5 млн. световых лет, масса - 3×10¹¹ масс Солнца), Малое Магелланово Облако – неправильная галактика, Большое Магелланово Облако – нечто промежуточное между спиральной и неправильной галактиками (расстояние до них соответственно 63 и 52 килопарсек, их масса соответственно 2×10⁹ и 1×10¹⁰ масс Солнца), и ряд неправильных и эллиптических галактик. Диаметр нашей Местной группы галактик 5 млн. световых лет.

Схема 35 . Виды звезд.

Схема 36 . Эволюция звезд