Великий Вибух та еволюція гарячого Всесвіту

Великий Вибух та еволюція гарячого Всесвіту

Досліджуючи віддалені області простору, ми зазираємо у минуле. Найвіддаленіші галактики ми бачимо такими, якими вони були дуже давно, коли випущене ними світло почало свою довгу подорож у просторі.

Дослідженням Всесвіту стала займатися ще найдавніша Людина. Небо було доступним для його огляду – воно було для нього цікавим. Не втратив інтересу до вивчення проблем космосу та сучасна людина. Але він дивиться вже трохи глибше. Йому не просто цікаво, що є Всесвіт зараз, він прагне знань про те, що було, коли Всесвіт народжувався? Як давно це було та як відбувалося?

Для пошуку відповіді на всі ці непрості відповіді було відведено спеціальну нішу в астрономії – космологію.

Космологія спробувала дати відповіді ці питання. Була створена теорія Великого Вибуху, а також теорії, що описують перші миті народження Всесвіту, її появу та структуризацію. Усе це дозволяє зрозуміти сутність фізичних процесів, показує джерела, створюють сучасні закони фізики, дає можливість прогнозувати подальшу долю Всесвіту. Тому космологія, як і будь-яка інша наука, живе і бурхливо розвивається, приносячи все нові і нові фундаментальні знання про навколишній світ

Ця робота присвячена проблемі вивчення походження нашого Всесвіту. Відповідно до зазначеної метою були поставлені і вирішувалися такі завдання: розглянути теорію Великого Вибуху, а так само першу мить життя Всесвіту.

Наука про Всесвіт загалом називається космологією. Одне з першочергових її завдань полягає в тому, щоб зрозуміти, як Всесвіт за час свого розвитку прийшов до нинішнього стану, а потімпередбачити, як вона поведеться у майбутньому. В останні роки багатьох учених займав важливе питання про те, як на структурі Всесвіту, що спостерігається зараз, відбилися фізичні процеси, що діяли протягом Великого вибуху.

Основні положення сучасної космології почали формуватися після створення в 1917 Ейнштейном першої релятивістської моделі, заснованої на теорії гравітації і претендувала на опис всього Всесвіту. Ця модель характеризувала стаціонарний стан Всесвіту і, як показали астрофізичні спостереження, виявилося неправильним.

Важливий крок у розвитку космології зробив 1922 року професор Петроградського університету А.А.Фрідман. Через війну рішення космологічних рівнянні він дійшов висновку: Всесвіт неспроможна перебувати у стаціонарному стані – вона має розширюватися чи звужуватися.

Наступний крок було зроблено у 1924 році, коли Хаббл виміряв відстань до найближчих галактик і тим самим відкрив світ галактик. У 1929 році з червоного зміщення ліній у спектрі випромінювання галактик експериментально підтвердив теоретичний висновок Фрідмана про розширення Всесвіту. З результатів спостереження випливає, що розбігання галактик збільшується приблизно на 75 км/с на кожний мільйон парсек (1 парсек = 3,3 світлового року). При цій швидкості екстраполяція до минулого призводить до висновку: вік Всесвіту становить близько 15 млрд. років, а це означає, що весь Всесвіт 15 млрд. років тому був зосереджений у дуже маленькій області. Передбачається, що щільність речовини Всесвіту була порівнянною із щільністю атомного ядра, і весь Всесвіт був величезною ядерною краплею. З якихось причин ядерна крапля опинилася у нестійкому стані та вибухнула. Це припущення є основою концепції Великого вибуху. У цій концепціїпередбачається, що розширення Всесвіту відбувалося з однаковою швидкістю, починаючи з вибуху ядерної краплі.

В даний час обговорюється і інша гіпотеза - гіпотеза пульсуючого Всесвіту: Всесвіт не завжди розширювався, а пульсує між кінцевими межами щільності. З неї випливає, що в деякому минулому швидкість видалення галактик була меншою, ніж зараз, і були періоди, коли Всесвіт стискався, тобто галактики наближалися один до одного і з тим більшою швидкістю, чим більша відстань їх поділяла.

У міру розвитку природознавства та особливо ядерної фізики висувалися різні гіпотези про фізичні процеси на ранніх етапах космологічного розширення. В основі сучасних уявлень про еволюцію Всесвіту лежить модель гарячого Всесвіту, або «Великого Вибуху», основи якої були закладені у працях американського фізика українського походження Дж. Гамова та його співробітників наприкінці 40-х років. ХХ ст. У ній розглянуті ядерні процеси, що протікали в початковий момент розширення Всесвіту в дуже щільній речовині з надзвичайно високою температурою. У міру розширення Всесвіту щільна речовина охолоджувалась.

З цієї моделі випливають два висновки:

Речовина, з якої зароджувалися перші зірки, складалася в основному з водню (75%) та гелію (25%)
У сьогоднішньому Всесвіті має спостерігатися слабке електромагнітне випромінювання, яке зберегло пам'ять про початковий етап розвитку Всесвіту, і тому назване реліктовим.

Ключ до розуміння ранніх етапів еволюції Всесвіту – у гігантській кількості теплоти, що виділилася під час Великого вибуху. Теоретично гарячої Всесвіту передбачається, що Всесвіт виник спонтанно в результаті вибуху зі стану з дуже великою щільністю та енергією (стан сингулярності). По міріРозширення Всесвіту температура падала (спочатку швидко, а потім все повільніше) від дуже великої до досить низької, що забезпечує виникнення умов, сприятливих для утворення зірок та галактик. Протягом тривалого часу температура перевищувала кілька тисяч градусів, що перешкоджало утворенню атомів, і, отже, космічна речовина мала вигляд розігрітої плазми, що складається з іонізованих водню та гелію. Тільки коли температура Всесвіту знизилася приблизно до температури поверхні Сонця, з'явилися перші атоми. Таким чином, атоми – це релікти епохи, що настала після Великого Вибуху.

Можливість встановити процеси, що відбувалися у перші секунди та хвилини існування Всесвіту, безумовно, слід розглядати як блискуче досягнення сучасного природознавства. Моделювання першої секунди існування Всесвіту наближає нас до головної загадки природи – самого акту створення світу! Перші секунди Всесвіту – це час таємничих станів речовини та невідомих сил природи.

Звісно, тут треба бути обережним. Наші уявлення про цей відрізок часу засновані багато в чому на гіпотезах та гіпотетичних екстраполяціях, теоретичному моделюванні.

«Температура Всесвіту в будь-який момент часу безпосередньо пов'язана з її розміром і віком. Часто, виявляється, зручно вимірювати вік Всесвіту, безпосередньо з погляду її температури. Більш висока температура, в такий спосіб, відповідає більш раннього времени.»[1] Наприклад, коли вік Всесвіту був близько однієї секунди, її температура становила приблизно 10 млрд. градусів.

Найраніший Всесвіт був значно гарячіший, ніж 10 млрд. градусів. Матерія у вигляді атомів існувати не могла. Атоми не з'являлися покивік Всесвіту не досяг приблизно трьохсот тисяч років. Крім того, ядра стали стійкими лише через кілька хвилин. Коли Всесвіт був ще молодший, він складався з дуже щільної суміші частинок та античастинок різноманітних типів.

Для того щоб представити молодий Всесвіт, що розширюється, корисно розглянути наступну аналогію. Припустимо, що в холодну зимову ніч ми так нагріли духовку, що температура в ній перевищила сто градусів. Якщо ми помістимо в духовку пар, вона збережеться в такій формі, доки включений нагрівач. Але що буде, якщо ми відключимо піч і винесемо її туди, де температура значно нижча від точки замерзання води? Зрозуміло, що духовка почне остигати. Як тільки температура знизиться, пара згуститься у воду, а потім вода замерзне, і перетворитися на кригу. Послідовні переходи від пари до води та від води до льоду відбуваються, як тільки температура стає досить низькою. Історію води всередині духової шафи, що охолоджується, може бути розділена на три різних періоди, відповідних часу, коли вода була в газоподібній, рідкій або твердій фазі.

Розвиток раннього Всесвіту також можна уявити, що складається з окремих періодів. Ці періоди обмежені особливими властивостями, які з'являється матерія протягом певного часу. Матерія в межах Всесвіту, що розширюється, охолоджується багато в чому також, як пара всередині термостата. Коли Всесвіт розширюється, температура падає і, зрештою, досягає критичного значення, змушуючи матерію змінювати свої фундаментальні властивості.

Протягом Великого вибуху відбулася ціла низка фундаментальних змін, які відокремлювали ці періоди один від одного.

Перша суттєва подія в історії Всесвіту була її виникнення. В принципі, цей момент можна використовувати длявизначення нульової точки відліку часу Перші 10-43 сек. Історії Всесвіту відомі як Планківський час. Коли Всесвіт досяг цього віку, почався суперструнний період. Відстань, яка може пройти світло за Планківський час, становить 10 -35 метрів. Цей масштаб відомий як довжина Планка, так як нічого не може переміщатися швидше, ніж світло, довжина Планка представляє розмір Всесвіту, що спостерігається в той час. Тому суперструнний період іноді називають Планковським періодом.