Я - атеист
Карта сайта Сделать стартовой Добавить в избранное

Главная страница
Карта сайта
Введение
Что вы найдете и не найдете на этом сайте













Словарь
Мифологический словарь
Картины на религиозные темы
Календарь религиозных праздников

Список литературы
Полезные ссылки
Обратная связь

Кто вы?
Опрос начат: 21.11.2017
На текущий момент проголосовало 14 человек

Атеист
Верующий
Не определился
Результаты

 

Версия для печати Версия для печати     Версия для печати Версия для печати (в новом окне)

Об эволюции вселенной
Сотворение мира

Сингулярность

Общепринятую историю Вселенной называют "модель горячего Большого Взрыва". Она предполагает, что Вселенная в период от нынешнего времени до Большого Взрыва описывается моделью Фридмана. В таких моделях расширение Вселенной сопровождается снижением температуры материи и интенсивности излучения. Поскольку температура - это мера средней энергии частиц, охлаждение Вселенной оказывает основополагающее влияние на содержащуюся в ней материю. При очень высоких температурах частицы движутся с такой значительной скоростью, что избегают взаимного притяжения, обусловленного ядерными или электромагнитными силами. Однако при охлаждении частицы начинают "слипаться".

Итак, в начале было... нет, не слово и не от бога. Вначале была сингулярность. Вещество температурой 1.4х10^32 градусов, плотностью 5.1х10^96кг/м3, сжатое до размеров атомного ядра.

Откуда взялась эта сингулярность - рассмотрим позже.

Время от сотворения вселенной - ноль. Хотя, конечно, время в данном случае - понятие условное и придумано человеком для своего удобства. Потому что до этого момента ни пространства, ни времени не существовало.

Сингулярность взрывается. Причины, побудившие ее на этот шаг, будут рассмотрены далее.

Сперва перестало существовать Великое Взаимодействие, и от него начали отделяться другие виды взаимодействия.

Любые события, происходящие в мире, объясняются четырьмя главными физическими взаимодействиями - гравитационным, сильным, слабым, электромагнитным.

Гравитационное взаимодействие отвечает за всемирное тяготение. За вращение Земли вокруг Солнца, за то, что мы ходим по планете.

Гравитация - самая слабая из четырех сил. Она настолько слаба, что мы вообще не замечали бы ее, если бы не два ее особых свойства: она может действовать на больших расстояниях, и она всегда притягивает. Это означает, что самые слабые гравитационные силы между отдельными частицами двух больших тел типа Земли и Солнца способны складываться в суммарную, весьма существенную силу. Три другие силы либо короткодействующие, либо могут как притягивать, так и отталкивать, а потому обнаруживают тенденцию к взаимному погашению.

Второй вид взаимодействия - электромагнитное. Оно возникает между электрически заряженными частицами, такими как электроны и кварки, но не влияет на нейтральные частицы.

Электромагнитное взаимодействие намного сильнее гравитации: электрические силы между двумя электронами приблизительно в 10^42 раз сильнее гравитационных. Оно второе по силе из четырех фундаментальных взаимодействий.

Электрический заряд бывает двух типов: положительный и отрицательный. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. Электромагнитное притяжение между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами атомного ядра удерживает электроны на орбите вокруг ядра атома.

Электромагнитное взаимодействие отвечает почти за все, что мы наблюдаем вокруг себя, за всю химию, биологию, упругость, силы трения. Химические, биологические, механические реакции - это проявления электромагнитного взаимодействия.

Сильное взаимодействие - это внутриядерные силы. Оно удерживает кварки внутри протонов и нейтронов и не дает протонам и нейтронам покинуть ядро атома. Если бы не оно, отталкивание положительно заряженных протонов разорвало бы все атомные ядра во Вселенной, кроме ядер водорода, состоящих из одного протона. Это самое мощное из всех четырех взаимодействий, однако обладает самым коротким радиусом действия.

Слабое или распадное взаимодействие. Оно отвечает за превращения элементарных частиц в микромире. При слабом взаимодействии, как правило, выделяется нейтрино. Если бы не нейтринные реакции, не светило бы Солнце.

В первое мгновение существования мира, когда размер Вселенной составлял несколько микрон, четыре мировых взаимодействия были неотличимы друг от друга и представляли собой одно Великое Взаимодействие. Усилия физиков сейчас направлены на разработку теории, которая объединила бы четыре взаимодействия в одно. Это многое объяснило бы в мире. Сначала удалось разработать теорию электрослабого взаимодействия, объединив в одно электромагнитное и слабое. Позже удалось создать теорию, объединившую электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Но включить в общую теорию еще и гравитацию пока не удается.

Когда миру было 10^-35 секунды или 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 001 долю секунды, температура составляла 1014ГэВ или 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 градусов, а плотность его была 10^80г/см3. Диаметр Вселенной равнялся 10 сантиметрам. При этом гравитационное взаимодействие отделилось от Великого.

Дальше температура Вселенной падала, а пространство расширялось. Позже знаменитый советкий физик А. Линде назвал это расширение инфляцией.

В первые мгновения не было никакой разницы между веществом и излучением. В многочисленных столкновениях вещество превращалось в поле, а поле в вещество. Вселенная представляла собой кварко-глюонную плазму.

Позже вещество и излучение разделились. Отделилось сильное взаимодействие, и их стало уже три - гравитационное, сильное и электрослабое.

В момент времени 10^-12 секунды слабое взаимодействие отделилось от электромагнитного. Плотность мира тогда составляла 10^20г/см3, температура 10^16 градусов, а диаметр приближался к миллиарду километров.

Когда Вселенной наступило 10^-6 секунды, ее температура упала до 10^13 градусов, размер вырос до 100 миллиардов километров, а кварки (это такие элементарные частицы) начали слипаться и формировать нейтроны и протоны - составные частицы атомных ядер.

Через секунду после Большого Взрыва Вселенная расширилась достаточно, чтобы ее температура упала приблизительно до десяти миллиардов градусов. Это в тысячу раз больше, чем в центре Солнца, но подобные температуры отмечались при взрывах водородных бомб. В то время во Вселенной присутствовали главным образом фотоны, электроны, нейтрино и их античастицы, а также гораздо меньшее число протонов и нейтронов. Тогда частицы обладали настолько высокой энергией, что, сталкиваясь, порождали множество различных пар частица-античастица. Например, столкновение фотонов могло породить электрон и его античастицу, позитрон. Некоторые из таких вновь возникших частиц, сталкиваясь со своими близнецами-античастицами, аннигилировали. Всякий раз, когда электрон встречается с позитроном, они уничтожаются, но обратный процесс не так прост. Для того чтобы две безмассовые частицы, такие как фотоны, могли породить пару частица-античастица, например электрон и позитрон, безмассовым частицам надо обладать некоторой минимальной энергией. Электрон и позитрон имеют массу, и эта создаваемая масса должна порождаться энергией сталкивающихся частиц. Поскольку Вселенная продолжала расширяться и температура понижалась, столкновения частиц, обладающих достаточной энергией для рождения электрон-позитронных пар, случались все реже. Гораздо чаще происходило взаимоуничтожение пар. В конечном счете большая часть электронов и позитронов аннигилировали друг с другом, произведя большое количество фотонов и оставив относительно мало электронов. Нейтрино и антинейтрино, которые взаимодействуют между собой и с другими частицами очень слабо, уничтожали друг друга не так быстро.

Важный момент - практически все частицы новорожденной Вселенной к этому моменту уже проаннигилировали со своими античастицами, то есть взаимоуничтожились, превратившись во вспышки света. Осталась одна миллиардная часть того, что было. Вот из этой одной миллиардной и состоит теперь весь наш мир.

Почему так произошло? Почему частиц стало больше, чем античастиц? Причина кроется в том, что законы физики не совсем одинаковы для частиц и античастиц. Вселенная, состоящая из античастиц, будет вести себя иначе, чем наша Вселенная.

Модель горячего Большого Взрыва предсказывает, что мы должны иметь возможность наблюдать излучение, сохранившееся с ранних, "горячих", этапов развития Вселенной. Однако из-за постоянного расширения Вселенной температура этого начального излучения должна была понизиться до величины, лишь на несколько градусов превышающей абсолютный нуль. Этим объясняется существование микроволнового фонового излучения, случайно обнаруженного Пензиасом и Уилсоном в 1965 году.

Cегодня в космическом микроволновом фоне есть примерно 1 миллиард фотонов на каждый протон во Вселенной. Эти фотоны реликтового излучения являются остатками ранней аннигиляции материи-антиматерии в начале времен.

Приблизительно через сто секунд после Большого Взрыва Вселенная остыла до одного миллиарда градусов - температуры недр самых горячих звезд. В этих условиях энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для преодоления сильного ядерного взаимодействия. Они начинают сливаться, образуя ядра дейтерия (тяжелого водорода), которые содержат один протон и один нейтрон.

Ядра дейтерия могут затем, присоединяя протоны и нейтроны, превратиться в ядра гелия, состоящие из пары протонов и пары нейтронов, а также породить некоторое количество ядер двух более тяжелых элементов - лития и бериллия. Согласно теории горячей Вселенной, около четверти протонов и нейтронов объединяются в ядра гелия при сохранении небольшого количества тяжелого водорода и других элементов. Остальные нейтроны в результате распада превращаются в протоны - ядра обычных атомов водорода. Все это прекрасно согласуются с наблюдениями.

Через несколько часов после Большого Взрыва формирование ядер гелия и других элементов должно было прекратиться. А затем на протяжении около миллиона лет Вселенная должна была лишь продолжать расширяться без каких-либо особенных событий.

Прошел миллион лет. Температура Вселенной упала до 30 000 градусов (1эВ), и стало возможным появление первых атомов. Энергия связи электрона с ядром атома равна 1эВ, и как только энергия среды упала ниже этой отметки, энергия электронов и ядер стала недостаточной для того, чтобы преодолевать силу электромагнитного притяжения. Электроны перестали отрываться от ядра.

Прошло 200 миллионов лет. Вселенная продолжала расширяться и остывать. Температура Вселенной упала примерно до 300 градусов Кельвина (27 градусов по Цельсию). В областях с плотностью немного выше средней расширение замедлялось повышенным гравитационным притяжением. Это должно было в конце концов остановить расширение и вызвать там сжатие. По мере сжатия гравитационная тяга материи за пределами этих областей приводила к тому, что они начали медленно вращаться. Чем меньше становилась сжимающаяся область, тем быстрее она вращалась (так фигуристы увеличивают частоту своего вращения, прижимая руки к телу). Наконец, когда область сделалась достаточно малой, частота вращения стала достаточной, чтобы уравновесить гравитационное притяжение. При сжатии газа он нагревается до температур, запускающих ядерные реакции. Водород превращается в гелий, и выделяющееся тепло повышает давление, чем останавливает дальнейшее сжатие облаков.

Начали формироваться более сложные структуры - галактики и первые звезды. Они конденсировались из межзвездного газа, который состоял в основном из водорода с примесью гелия.

Дальнейшая эволюция вещества шла уже в недрах звезд. Все, что стоит в периодической системе химических элементов правее и ниже гелия, то есть практически вся таблица Менделеева - это продукт звезд. В результате ядерных реакций в недрах первого поколения звезд было произведено то вещество, из которого состоим мы с вами - углерод, магний, кислород, железо. Все, кроме трансурановых. Химические элементы, расположенные в таблице Менделеева правее железа, вырабатываются при взрывах сверхновых звезд.

В зависимости от массы звезда может либо тихо угаснуть, либо взорваться. Некоторые звезды взрывались, раскидывая по галактике наработанный материал. Межзвездная пыль под воздействием гравитации конденсировалась в пылевые облака, из которых формировалось второе поколение звезд - с планетными системами. Из этих веществ сформировались и мы.

Эволюция вещества в межзвездных просторах доходит до органических соединений. То есть органические вещества появляются не только на планетах, но и прямо в межзвездной пыли.

В штате Аризона, в обсерватории Китт Пик стоит радиотелескоп, предназначенный для поиска в межзвездном газе молекулярных соединений. С его помощью было установлено, что туманность Ориона является гигантским молекулярным облаком. И в составе этого облака присутствуют такие сложные органические соединения, как метил, формальдегид, изоциановая кислота, муравьиная кислота, метанол, метиламин, диметиловый эфир и другие. Многие из этих органических молекул являются основой молекулы ДНК.

Вообще, в справедливость теории Большого взрыва поверить можно, даже поразмыслив на простом, бытовом уровне. Однажды я посмотрел научно-популярный сериал "Как устроена Вселенная", и там показывали снимки далеких скоплений галактик, туманностей и прочих космических объектов. Так вот. Есть скопления галактик. Между ними - миллионы световых лет пустого пространства. Допустим, что все скопления мы собрали вместе. Размер пространства, занимаемый ими, резко уменьшится.

Скопления галактик состоят из галактик. А что между галактиками? Пустота. Огромные пустые пространства, во много сотен тысяч раз больше самих галактик. Допустим, и все галактики собрали в одну кучу, устранив эти пустоты. Пространство стало меньше в эти самые много сотен тысяч (если не миллионов) раз.

А что такое галактика? Это звезды (в том числе и потухшие в виде черных дыр) и звездные системы. А между ними что? Огромные пустоты в десятки, сотни, тысячи световых лет. Допустим, и эти пустоты устранили. Пространство сжалось еще во много тысяч раз.

А звездная система – это что? Звезда в центре и летающие вокруг нее планеты, астероиды, кометы и прочие объекты. А между ними – опять все та же пустота на миллионы и миллиарды километров. К примеру, диаметр Солнечной системы, отсчитанный по внешним границам облака Оорта, составляет примерно 2 световых года или 19 триллионов (19 000 000 000 000) километров. Если и эту пустоту "схлопнуть", пространство станет еще меньше.

И так далее вплоть до атома.

Айзек Азимов проиллюстрировал это так: если бы вся материя вселенной была единственной песчинкой, то все пространство занимало бы размер 35 километров в длину, 35 километров в ширину и 35 километров в высоту. И в то же время, как будто эта единственная песчинка распылена на 1 000 000 000 000 000 000 000 фрагментов, поскольку это приблизительно число звезд во вселенной.

А что такое атом? Ядро, вокруг которого летают электроны. Причем если ядро увеличить до размера футбольного мяча, то сам атом будет размером со стадион. То есть все то же – между ядром и электронами огромные (по атомным меркам) пустоты.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Сами протоны и нейтроны состоят из кварков. А между кварками - опять же пустое пространство, в котором то и дело снуют виртуальные частицы, переносящие сильное взаимодействие. Если устранить, наконец, и это расстояние, как раз и получится то, что называют сингулярностью.

 


Назад
Об эволюции Вселенной

Дальше
Откуда возникла сингулярность?


На главную

Добавить в избранное
Яндекс.Метрика [an error occurred while processing this directive]