Начало Вселенной

В этой статье мы подробнее остановимся на начале развития Вселенной. Подробно рассмотрим взаимодействие частиц на раннем этапе жизни Вселенной, выделим три эпохи в начале ее развития.

Образование первых атомов

Содержание

1. Кратко о ранних этапах развития Вселенной
2. Взаимодействие частиц в развитии Вселенной
3. Три эпохи в ранней истории Вселенной
4. Три конденсации (перехода) Вселенной

Художественное представление элементарных частиц в первые три минуты после Большого взрыва.

Кратко о ранних этапах развития Вселенной

• Планковская эпоха, квантовая гравитация: 0-10^-43с
• Эпоха Великого объединения (электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия объединены): 10^-43 — 10^-36с
• Вселенная расширяется экспоненциально: неизвестно — 10^-32с
• Отделение слабого взаимодействия: 10^-12 — 10^-6с
• Образование ядер водорода: 10^-6 — 1с
• Аннигиляция лептонов и антилептонов: 1 — 10с
• Формирование плазмы из ядер, электронов и фотонов: 10с — 380 000 лет
• Нуклеосинтез, образование ядер гелия: 3 — 20 мин
• Первые звезды, квазары и галактики: 150 млн — 1 млрд лет
• Образование солнца и солнечной системы: 9 млрд лет

Взаимодействие частиц в развитии Вселенной

Одним из следствий открытия Эдвином Хабблом расширения Вселенной было понимание того, что на ранних этапах существования она была меньше и горячее, чем сегодня. «Горячее» в первую очередь подразумевает, что при нагреве атомы и молекулы, из которых состоит вещество, начинают двигаться быстрее. Это, в свою очередь, означает, что столкновения между частицами происходят при более высоких скоростях, а значит, они жестче. Мы уже убедились на ряде примеров, что это обстоятельство сыграло выдающуюся роль в истории Вселенной. Когда возраст Вселенной не достиг еще 3 минут, температура была слишком высока для того, чтобы протоны и нейтроны могли создавать устойчивые связи. И пока с начала времен не прошло несколько сотен тысяч лет, во Вселенной еще было слишком горячо, а столкновения между частицами были слишком жесткими, чтобы атомы могли существовать.

Каждая веха в первые минуты и годы существования мира, в той или иной степени, является переходом, конденсацией, благодаря которой менялись основные характеристики Вселенной. Первыми вступили во взаимодействие частицы, чтобы сформировать ядра, много позже ядра и электроны объединились в атомы. Мы увидим, что история ранней Вселенной, начиная с момента Большого взрыва, делится на три эпохи, сопровождавшиеся тремя переходами.

Первые три эпохи не касались вещества, но имели отношение к силам взаимодействия частиц. Физики различают 4 вида фундаментальных взаимодействий:

1. Сильное (ядерное) действует на масштабах порядка атомного ядра, удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре атома.
2. Электромагнитное дальнодействующее действует между частицами, обладающими электрическим зарядом, и только посредством электромагнитного поля.
3. Слабое короткодействующее проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра, в частности управляет некоторыми радиоактивными распадами.
4. Гравитационное дальнодействующее, универсальное действует между всеми материальными телами, заставляя их притягиваться друг к другу. Наиболее известное.

В окружающем нас мире эти силы разделены и сильно отличаются друг от друга: по-разному передаются, действуют на разных масштабах, имеют разную природу. Так, силы, которые удерживают вместе нуклоны в ядре, очевидным образом отличаются от сил, удерживающих записку на дверце холодильника. Но с точки зрения физика-теоретика, при очень высоких температурах все они становятся неразличимы говорят, что при достаточно высоких энергиях эти фундаментальные силы «объединяются».

Три эпохи в ранней истории Вселенной

Давайте начнем с самого начала с точки, в которой оказываются бессильны все наши эксперименты и теории. Мы полагаем, что с момента рождения Вселенной все фундаментальные взаимодействия гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое были слиты воедино, а пространство и время не были отделены друг от друга или не существовали вовсе. Непрерывное течение времени началось после того, как сила тяготения стала независимой. Это произошло спустя приблизительно 10^-43 с. Мы не знаем, что именно происходило до того, так как для этого нужна квантовая теория гравитации, которая пока не создана.

Если верить современным исследованиям, Вселенная куда более странное и загадочное место, чем мы можем себе представить. Верхняя диаграмма показывает соотношение различных форм материи. Отметим, что на привычное нам «видимое» (т. н. барионное) вещество приходится менее 5 %. Нижняя диаграмма показывает, как обстояли дела, когда миру было 380 000 лет.

Эволюция Вселенной от Большого взрыва (слева снизу) до образования материи в представлении художника. Желтым показан самый ранний период планковская эпоха, когда все четыре взаимодействия были объединены; оранжевым эпоха чрезвычайно быстрого экспоненциального расширения Вселенной; красным период формирования атомов.

Вслед за гравитацией приблизительно на 10^-35с после Большого взрыва возникло сильное взаимодействие, а в конце слабое и электромагнитное. Три последних взаимодействия описывает хорошо работающая, многократно проверенная экспериментами теория Стандартная модель.

В то время произошло несколько других важных вещей. Наиболее значительной из них является то, что Вселенная прошла через короткое, но очень стремительное расширение, названное инфляцией. За время порядка 10^-35с Вселенная расширилась от размеров чего-то меньше протона до размеров грейпфрута (10 см). Надо помнить, что происходило расширение самого пространства, а не в пространстве, так что речи о нарушении «запрета» Эйнштейна на перемещения со скоростью выше скорости света не идет. Впервые предложенная американским физиком и космологом Аланом Гутом инфляционная модель является на сегодня неотъемлемой частью истории Вселенной. И, как вы можете предположить, введение инфляции решило другую существенную проблему космологии.

Фантазия художника на тему того, как мог выглядеть квазар на раннем этапе своего существования. Сверхмассивная черная дыра в центре окружена падающими на нее облаками газа, которые светятся из-за сильного сжатия.

Она связана с микроволновым фоновым излучением. Как мы отмечали, с точностью порядка 10^-4 оно изотропно, а это значит, что разные части Вселенной, из которых приходит это излучение, имеют с той же точностью одинаковые температуры. Проблема заключалась в том, что если просто экстраполировать расширение Хаббла назад по времени, то в прошлом не оказалось бы момента, когда две части неба по 180° каждая находились в контакте достаточно долго для того, чтобы создалась такая однородность. Это все равно как если бы вы открыли горячий кран над ванной с водой и вся вода в ней мгновенно бы нагрелась. Инфляционная же теория, по сути, говорит, что наблюдаемая однородность температур установилась, когда ванна была намного меньше, а дальше это равновесие просто поддерживалось инфляционным событием. После инфляции в момент 10^-12с, слабое взаимодействие отделилось от электромагнитного. С этого времени во Вселенной и существуют четыре фундаментальных взаимодействия, которые мы сегодня наблюдаем.

Три конденсации (перехода) Вселенной

Мы достигли следующего временного пункта возраста Вселенной 10^-6с. Для понимания происходивших тогда событий, надо совершить небольшой экскурс в мир элементарных частиц.

Начав с 1930-х годов всматриваться в космические обломки напоминания о столкновениях космических лучей и атомных ядер, физики обнаружили, что в атомных ядрах, кроме протонов и нейтронов, находилась еще одна частица. В 1960-х годах было установлено, что так называемые «элементарные частицы», например протон, вовсе не являлись элементарными, а были комбинацией действительно бесструктурных точечных частиц, которые назвали кварками. Есть две версии происхождения их названия, которое было заимствовано из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»: согласно одной, слово является подражанием крику морских птиц, а согласно другой, его корни уходят в западнославянские языки и отсылают к слову «творог».

До 10^-6с Вселенная состояла из кварков, в момент 10^-6с кварки соединились в элементарные частицы (протоны, нейтроны и др.). Вселенная стала горячей плазмой из атомных ядер.

В эпоху, когда Вселенной было порядка нескольких сотен тысяч лет, по мере охлаждения эти ядра стали захватывать электроны и образовывать атомы. Образование атомов было особенно важным событием, потому что, с одной стороны, высвободило излучение, которое стало в итоге реликтовым, а с другой, отметило точку, в которой обычная материя смогла начать коллапсировать, образовывая галактики.

Физики говорят, что Вселенная в этой точке стала «прозрачной». До тех пор свет в форме протонов не мог свободно перемещаться в пространстве, поскольку блокировался высокоэнергичными электронами. В сущности, до открытия темной материи это «предпрозрачное» состояние высвечивало проблему. Фотоны электромагнитное излучение взаимодействовали и создавали давление в плазме, а потому если бы обычное вещество попыталось сконденсироваться в галактики до того, как сформировались атомы, эти конденсации были бы разметены интенсивной радиацией.

Дальнейшие вычисления показали, что до того времени, как сформировались атомы, вещество было распределено слишком тонким слоем, чтобы иметь возможность начать самостоятельно собираться в галактики. Темная же материя с излучением не взаимодействует, и поэтому она могла начать клочковаться и до формирования атомов. Когда же Вселенная с началом формирования атомов стала проницаемой для излучения, обычная материя тяготела к концентрациям темной материи, которые уже сформировались к тому моменту, создавая те самые галактики, которые мы видим сегодня. Посему темная материя не только сама не является проблемой, но, напротив, оказалась способной разрешить давнюю и очень актуальную космологическую задачу.

Шесть переходов, которые мы обсуждали, можно представить следующим образом. До 10^-43с во Вселенной действовала одна объединенная сила. В следующую, крохотную долю секунды, от нее отделились сначала гравитация, потом сильное взаимодействие, а за ним слабое и электромагнитное. 10^-6 с от рождения Вселенной кварки объединились в элементарные частицы. Частицы, в свою очередь, в 3 мин от начала стали образовывать атомные ядра и через несколько сотен тысяч лет захватывать электроны, образуя при этом атомы.

Однако это не снимает вопрос о том, как вообще возникла Вселенная, хотя ученые уже начали строить серьезные гипотезы на этот счет.