Фундаментальные законы природы как основа формирования естественно-научной картины мира

Рассмотрим, каким же предполагается поведение горячей Вселенной, расширяющейся после своих родов во время Большого Взрыва.

Известный советский теоретик Я.Б. Зельдович, занимавшийся в том числе и астрофизикой, заметил, что теория Большого Взрыва в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных логических недостатков. Она столь же надежно установлена и верна, сколь верно и то, что Земля вр

ащается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени и обе они имели многих противников, утверждавших, что новые идеи, изложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу.

Однако успех модели расширяющейся Вселенной связан не только с экспериментальными подтверждениями, но и с тем, что у нее оказалась глубокая связь с теориями физики микромира, в том числе и физики элементарных частиц, благодаря чему оказалось возможным непротиворечиво объяснить поведение "ранней" Вселенной, причем, как это не парадоксально звучит, буквально по долям микросекунд (и даже более того, отсчет идет от 10–43 с).

Таким образом, по существу сейчас возникла новая наука -космомикрофизика. Именно в космомикрофизике объединяются не только космологические модели Большого Взрыва, расширяющейся и пульсирующей Вселенной, но также и строение материи в виде элементарных частиц и понятия устойчивости-неустойчивости материи, ее симметрии-асимметрии, самоорганизации и эволюции. Модель горячей Вселенной описывает ее в этом смысле, как "котел кипящих элементарных частиц".

Каков же сценарий, как любят говорить космологи, развития событий по моделям Большого Взрыва и горячей Вселенной?

Сразу же после Большого Взрыва Вселенная стала представлять собой огненный шар из элементарных частиц и фотонов (свет) огромных энергий со взаимными превращениями. Далее Вселенная стала расширяться с уменьшением своей плотности и температуры. При предполагаемых громадных плотностях (~1025 г/см3) и температурах (~1016 К) вещество может состоять только из элементарных частиц - протонов и нейтронов. Эти частицы движутся так быстро, что при своих столкновениях образуются пары новых частиц (частица-античастица). Вообще же говоря, чем выше температура Вселенной, тем более тяжелые частицы могут рождаться при таких столкновениях.

Здесь предполагается, что качественный состав элементарных частиц, образующих новую Вселенную непременно изменяется при ее расширении. Когда Вселенной "исполнилось" 10–43 с, все ее фундаментальные взаимодействия в природе были объединены и имели одинаковую интенсивность.

Через 10–23 с наступило время уже тяжелых частиц, точнее того, из чего они состоят, - из кварков. В это время вся Вселенная состояла из кварков и антикварков. По мере уменьшения температуры и с ростом времени уменьшалось число пар этих тяжелых частиц и за счет аннигиляции они быстро исчезали.

Далее, еще через 10–2 с после Большого Взрыва наступает время легких частиц. Вселенная как бы "омолодилась" и практически стала состоять из легких частиц - лептонов и частиц излучения (фотонов).

Еще дальше во времени (1-20 с) Вселенная, расширяясь дальше, теряет и эти частицы. При аннигиляции они превращаются в фотоны. Фотонам же не хватает энергии, чтобы образовать электрон-позитронную пару, и поэтому процессы излучения начинают преобладать над процессами формирования самих частиц.

Через 100 с жизни Вселенной ее температура упала до 109 К и скорости оставшихся протонов уменьшились настолько, что за счет ядерных сил притяжения они начинают соединяться в ядра легких элементов, в основном гелия, затем - лития и бериллия.

По прошествии нескольких часов после Большого Взрыва образование этих ядер закончилось. Этот период эволюции получил название времени нуклеосинтеза. А дальше счет пошел уже на миллионы лет. Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться. При этой энергии у фотонов было значительно больше сил связи, чем у электронов и ядер, и поэтому атомы пока не могли образоваться.

Но затем при уменьшении температуры до 3000 К энергия электромагнитного притяжения ядер и электронов становится уже больше энергии фотонов, и тогда начинают образовываться атомы водорода и гелия. Фотоны перестали взаимодействовать с веществом, и как говорят космологи, Вселенная стала "прозрачной".

Предполагается, что с тех дальних времен до наших дней эти фотоны (это излучение) и заполняют нашу Вселенную. За это время температура упала с 3000 К до 3 К. Это и есть реликтовое излучение, о котором уже говорилось выше. Таким образом, можно считать, что реликтовое излучение несет нам информацию о той молодой Вселенной, когда ей исполнилось "всего" 1 миллион лет. Теперь в рамках модели расширяющейся Вселенной можно построить схему физической истории Вселенной:

В начальный период времени "прозрачная" Вселенная была однородным "бульоном" из элементарных частиц, ядер, атомов и фотонов. Затем флуктуационно стали возникали области, где плотность материи оказывалась несколько выше. Это, в свою очередь, приводило к увеличению гравитационного притяжения в этих областях, а значит и к отставанию этих областей от общего темпа расширения Вселенной. Атомы и частицы в этих областях испытывали большое число столкновений (объем-то уменьшился!), газ разогревался, шли термоядерные реакции. Давление внутри области стало возрастать и область перестала сжиматься.

Вместе с тем, заметим, что хотя теория Большого Взрыва в целом и оправдывает доверие научного мира, но все же некоторые обстоятельства она принципиально объяснить не может. Так, она, например, не может объяснить конкретную причину того "первотолчка", который как раз и привел к Большому Взрыву. Кроме того, на основании указанной концепции нельзя объяснить, почему мощность взрыва была именно такой, какой была, то есть не больше и не меньше, где скорость разлета, и плотность вещества оказались очень близкими к их критическим значениям. Теория не может также объяснить причину крупномасштабной однородности Вселенной, хотя одновременно в меньших масштабах она допускает наличие в прошлом отклонений от однородности, которые и привели впоследствии к возникновению галактик. При этом предполагается, что расширение происходит с большой степенью однородности и изотропности, а удаленные друг от друга неоднородности причинно между собой не связаны.

Частично эти вопросы снимает еще одна современная модель – теория так называемой "раздувающейся" Вселенной . Эта модель предполагает некоторое хаотическое раздувание всей Вселенной в период времени от 10–43 до 10–32 с, и в этом смысле данная теория принципиально связана с физическим понятием вакуума. Заметим, что проблема вакуума сейчас становится одной из центральных в физике. Согласно этим идеям, Вселенная начала свою жизнь именно из состояния вакуума, лишенного вещества и излучения.

С точки зрения современных научных представлений, вакуум есть особый тип физической реальности, наиболее фундаментальное состояние материи, особое "ничто", скрытое бытие, содержащее в потенции всевозможные частицы и при сообщении энергии этому вакууму из него можно извлечь любые частицы и объекты, в том числе не только нашу Вселенную, но и другие вселенные.

 Скачать реферат