Атомы во вселенной

     Эволюцию  претерпевают все космические объекты - звезды, планеты, галактики. Сейчас известно, что обычные звезды в ходе претерпеваемых изменений превращаются в так называемые «белые карлики», «нейтронные звезды» и «черные дыры».

     Что такое «белый карлик»? Это электронная  постзвезда, образующаяся в том случае, когда звезда на последней стадии своей эволюции имеет массу, меньшую 1,2 солнечной массы. Превращение происходит путем медленного сжатия звезды, которая продолжает светить уже не за счет ядерных реакций, а в результате освобождающейся в процессе сжатия гравитационной энергии. Диаметр «белого карлика» равен диаметру нашей Земли, температура достигает около миллиарда градусов, а плотность - 10 т/см3 - в сотни тысяч раз больше земной плотности. Такую плотность можно получить, утрамбовав грузовой автомобиль в объем наперстка. В течение 1 млрд лет «белый карлик» медленно остывает, превращаясь в «черный карлик» - ничего не излучающий холодный «труп» звезды.

     Нейтронные  звезды возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. В этом случае на предконечном этапе происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого в наружных ее слоях начинается бурный процесс ядерных реакций, в которые вступают остатки ядерного вещества звезды. При этом выделяется так много энергии, что происходит взрыв с разбросом наружного слоя звезды. Внутренние же ее области стремительно сжимаются. Остаток звезды уменьшается до размеров в 20-30 км, а средняя ее плотность возрастает до 100 млн т/см3, что, используя прежнее сравнение, равнозначно утрамбовке в наперсток миллиона грузовых автомобилей. Образующийся объект и получил название «нейтронная звезда». Она состоит из протонов и нейтронов, силы гравитации разрушили в ней сложные ядра и вещество снова стало состоять из отдельных элементарных частиц. Открытые в 1967 г. пульсары (источники пульсирующего, периодически изменяющегося импульсного излучения) как раз и являются намагниченными вращающимися нейтронными звездами.

     В случае же, если масса постзвезды (звезды на заключительной стадии своего существования) превысит 2 солнечные массы, она должна превратиться в «черную дыру» с радиусом 5т 10 км. Черные дыры имеют и другие названия застывшая звезда», «гравитационная могила», «коллапсар», «флуктуар», «отон». Пространство черной дыры как бы «вырвано» из пространства Метагалактики. Если вырезать в листе бумаги дыру, то это даст наглядную двумерную аналогию черной дыры в трехмерном пространстве. Вещество и излучение проваливаются в нее и не могут выйти обратно.

     Раньше  «черные дыры» считались ненаблюдаемыми. Теперь же наука располагает фактами, которые достаточно убедительно  свидетельствуют об их существовании. Они отождествляются с источниками  сильного рентгеновского излучения. Высказаны  предположения о существовании  первичных, реликтовых «мини-черных дыр», образовавшихся на раннем этапе развития Вселенной. Реликтовые черные дыры вызывают исключительный интерес, поскольку  в них органически объединяются микро- и макромасштабы. Теоретические расчеты показывают, что обладая гигантской массой 1015 г, они должны иметь микроскопический размер до 10-13 см. 

     8. Рождение Вселенной

     Примерно 15 млрд. лет отделяет нашу эпоху от начала процесса расширения Вселенной, когда вся наблюдаемая нами Вселенная  была сжата в комочек, в миллиарды  раз меньший булавочной головки. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной  был и вовсе равен нулю, а  ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью - точечный объем с  бесконечной плотностью. Известные  законы физики в сингулярности не работают. Более того, нет уверенности, что наука когда-либо познает  и объяснит такие состояния. Так  что если сингулярность и является начальным простейшим состоянием нашей  расширяющейся Вселенной, то наука  не располагает о нем информацией.

     В состоянии сингулярности кривизна пространства и времени становится бесконечной, сами эти понятия теряют смысл. Идет не просто замыкание пространственно-временного континуума, как это следует из общей теории относительности, а  его полное разрушение. Правда, понятия  и выводы общей теории относительности  применимы лишь до определенных пределов - масштаба порядка 10-33 см. Дальше идет область, в которой действуют  совсем иные законы. Но если считать, что  начальная стадия расширения Вселенной  является областью, в которой господствуют квантовые процессы, то они должны подчиняться принципу неопределенности Гейзенберга, согласно которому вещество невозможно стянуть в одну точку. Тогда получается, что никакой  сингулярности в прошлом не было и вещество в начальном состоянии  имело определенную плотность и  размеры. По некоторым подсчетам, если все вещество наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 1061 г, сжать до плотности 1094 г/см3, оно заняло бы объем около 10-33 см3, что примерно в 1000 раз больше объема ядра атома урана. Его нельзя было бы разглядеть и в электронный микроскоп.

     Причины возникновения такого начального состояния (или сингулярности - эту гипотезу и сегодня поддерживают многие ученые), а также характер пребывания материи  в этом состоянии считаются неясными и выходящими за рамки компетенции  любой современной физической теории. Неизвестно также, что было до момента  взрыва. Долгое время ничего нельзя было сказать и о причинах Большого взрыва, и о переходе к расширению Вселенной, но сегодня появились  некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить  эти процессы.

     Итак, очевидно, что исходное состояние  перед «началом» не является точкой в математическом смысле, оно обладает свойствами, выходящими за рамки научных  представлений сегодняшнего дня. Не вызывает сомнения, что исходное состояние  было неустойчивым, породившим взрыв, скачкообразный переход к расширяющейся  Вселенной. Это, очевидно, было самое  простое состояние из всех, реализовавшихся  позднее вплоть до наших дней. В  нем было нарушено все, что нам  привычно: формы материи, законы, управляющие  их поведением, пространственно-временной  континуум. Такое состояние можно  назвать хаосом, из которого в последующем  развитии системы шаг за шагом  формировался порядок.

     Хаос  оказался неустойчивым, это послужило  исходным толчком для последующего развития Вселенной.

     Как уже отмечалось выше, еще Демокрит утверждал, что мир состоит из атомов и пустоты - абсолютно однородного пространства, разделяющего атомы и тела, в которые они соединяются. Современная наука на новом уровне интерпретирует атомизм, и вносит совершенно иной смысл в понятие среды, разделяющей частицы. Эта среда отнюдь не является абсолютной пустотой, она вполне материальна и обладает весьма своеобразными свойствами, пока еще мало изученными. По традиции, эта среда, неотделимая от вещества, продолжает называться пустотой, вакуумом.

     Вакуум - это пространство, в котором  отсутствуют реальные частицы и выполняется условие минимума плотности энергии в данном объеме. Казалось бы, раз нет реальных частиц, то пространство пусто, в нем не может содержаться энергия, даже минимальная. Но это представление пришло к нам из классической физики. Квантовая же теория, опираясь на принцип неопределенности Гейзенберга, опровергает его. Мы помним, что применительно к теории поля принцип неопределенности утверждает невозможность одновременного точного определения напряженности поля и числа частиц. Раз число частиц равно нулю, то напряженность поля не может равняться нулю, иначе оба параметра будут известны, и принцип неопределенности будет нарушен. Напряженность поля в вакууме может существовать лишь в форме флуктуационных колебаний около нулевого значения. Соответствующая этим колебаниям энергия будет минимально возможной.

     В соответствии с признанным дуализмом  волновых и корпускулярных свойств  колебания полей обязаны порождать  частицы. И здесь мы сталкиваемся еще с одним парадоксом микромира. Квантовые эффекты могут на очень  короткое время приостанавливать действие закона сохранения энергии. В течение  этого промежутка времени энергия  может быть взята «взаймы» на различные  цели, в том числе на рождение частиц. Разумеется, все возникающие  при этом частицы будут короткоживущие, так как израсходованная на них  энергия должна быть возвращена спустя ничтожную долю секунды. Тем не менее частицы могут фактически возникнуть из ничего, обретая мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть. И эту скоротечную деятельность невозможно предотвратить. Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить след своего кратковременного существования. Они представляют собой разновидность виртуальных частиц, аналогичных переносчикам взаимодействия, но не предназначенных для получения или передачи сигналов.

     Таким образом, «пустой» вакуум оказывается  заполненным виртуальными частицами. Он не безжизнен и безлик, а полон  энергии. А то, что мы называем частицами, - всего лишь редкие возмущения, подобные «пузырькам» на поверхности целого моря активности.

     Современные теории предполагают, что энергия  вакуума проявляется отнюдь не однозначно. Вакуум может быть возбужденным и  находиться в одном из многих состояний  с сильно различающимися энергиями, подобно тому, как атом может возбуждаться, переходя на уровни с более высокой энергией, причем различие между самой низкой и самой высокой энергиями невообразимо велико.

     Очевидно, вакуум играет роль базовой формы  материи. На самой ранней фазе эволюции Вселенной именно ему отводится  ведущая роль. Экстремальные условия  «начала», когда даже пространство-время  было деформировано, предполагают, что  и вакуум находился в особом состоянии, которое называют «ложным» вакуумом. Оно характеризуется энергией предельно  высокой плотности, которой соответствует  предельно высокая плотность  вещества. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения, отрицательное давление, которое равносильно гравитационному  отталкиванию такой величины, которое  и вызвало безудержное и стремительное  расширение Вселенной - Большой взрыв. Это и было первотолчком, «началом».

     С началом стремительного расширения Вселенной возникает время и  пространство. По разным оценкам период «раздувания» занимает невообразимо малый  промежуток времени - до 10-33 с после  «начала». Он называется инфляционным периодом. За это время Вселенная  успевает раздуться до гигантского  «пузыря», радиус которого на несколько  порядков превышает радиус современной  нам Вселенной, но там практически  отсутствуют частицы вещества. Это  еще не то расширение, о котором  мы говорили, а предпосылка к нему. К концу фазы инфляции Вселенная  была пустой и холодной. Но когда  инфляция иссякла, Вселенная вдруг  стала чрезвычайно горячей. Этот всплеск тепла обусловлен огромными  запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Когда это состояние  вакуума распалось, его энергия  высвободилась в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до 1027 К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории горячего Большого взрыва. 

     9. Ранний этап эволюции  Вселенной

     Доступная астрономическим наблюдениям современная  Вселенная состоит на 99% из водорода и гелия, но в первоначальном плазмоподобном сгустке, не было ни водорода, ни гелия. Теория Большого взрыва утверждает, что от появления протовещества до образования ядер водорода и гелия прошло немногим более трех секунд. На этом временном промежутке стремительно преобразовывались вакуум и вещество, а этапы преобразования определялись процессами расширения и остывания сгустка.

     При температуре 1027 К, если только справедлива гипотеза Большого объединения, лептоны и кварки в сгустке свободно превращались друг в друга, то есть были неразличимы. В среде существовал единый вид взаимодействия и роль его частицы-посредника выполнял скалярный бозон, названный X-бозоном. Это была необычайно массивная частица, порядка 10-9 г, что в 1014 раза больше массы протона. Эти частицы исчезли после снижения температуры в ранней Вселенной, остатков их пока не найдено, ожидать, что такие частицы могут быть обнаружены, не приходится, так как подобных температур нет нигде в современной Вселенной.

     Через 10-33 секунды после «начала» кварки и лептоны разделились, а сильное  взаимодействие отделилось от электрослабого. Единый Х-бозон распался на глюоны и безмассовый бозон - переносчик электрослабого взаимодействия. К моменту прекращения переходов кварков в лептоны число кварков несколько превышало число антикварков (вообще, современное существование Вселенной связано с нарушениями симметрии), а число электронов - число позитронов. В общем сгустке число частиц в каждом миллиарде оказывалось на единицу больше числа античастиц. Это и определило дальнейшее появление вещественной Вселенной с галактиками, звездами, планетами и разумными существами на некоторых из них.

     Следующая критическая точка - 10-10 с, когда температура снизилась до 1015 К. После этого безмассовый электрослабый бозон разделился на безмассовый фотон и три тяжелых векторных бозона. Электрослабое взаимодействие разделилось на слабое и электромагнитное. Во Вселенной утвердились все четыре известные ныне науке фундаментальные взаимодействия.

     При снижении температуры до 1015 К прекращается свободное существование кварков, они сливаются в адроны.

     Ранний  период развития Вселенной завершается  лептонно-фотонной эрой. Образуются барионы и антибарионы, которые аннигилируют, оставляя после себя фотоны и выделившуюся энергию. Но так как барионов немного больше, чем антибарионов, оставшиеся стали примесью в однородной смеси фотонов и лептонов. Такое состояние было достигнуто через 0,01 с после «начала».