1. еволюція всесвіту
2. 1. Розширення всесвіту
3. 2. Реліктове випромінювання

еволюція всесвіту

А.Н.ВАСІЛЬЕВ

Санкт-Петербурзький державний університет

У статті коротко викладається сучасна теорія Великого Вибуху, що пояснює еволюцію спостережуваного Всесвіту.

Картина нічного неба представляєтьсяспостерігачеві певним еталоном стабільності в порівнянні з тими, що оточують його процесами на Землі і в суспільстві: на протязі всього життя людини видимі зірки зберігають незмінними свої положення і яскравості, зберігається звичний малюнок сузір'їв, і це однаковість порушується лише помітним рухом невеликого числа об'єктів типу планет або комет, що відносяться до нашої сонячній системі .

Але це перше враження незмінності навколишньої Всесвіту насправді оманливе: вона еволюціонує, і ця еволюція, порівняно повільна зараз, на ранніх етапах була неймовірно швидкої, так що серйозні якісні зміни стану Всесвіту відбувалися за частки секунди. За сучасними уявленнями, ми спостерігаємо зараз Всесвіт виник близько 15 мільярдів років тому з деякого початкового "сингулярного" стану з нескінченно великими температурою і щільністю і з тих пір безперервно розширюється і охолоджується. Відповідно до цієї теорії Великого Вибуху , Подальша еволюція залежить від вимірного експериментально параметра - середньої щільності речовини в сучасному Всесвіті. якщо менше деякого (відомого з теорії) критичного значення , Всесвіт буде розширюватися вічно; якщо ж > , То процес розширення коли-небудь зупиниться і почнеться зворотна фаза стиску, що повертає до вихідного сингулярного стану. Сучасні експериментальні дані щодо величини ще недостатньо надійні, щоб зробити однозначний вибір між двома варіантами майбутнього Всесвіту.

Є ряд питань, на які теорія Великого Вибуху відповісти поки не може, однак основні її положення обгрунтовані надійними експериментальними даними, а сучасний рівень теоретичної фізики дозволяє цілком достовірно описати еволюцію такої системи в часі, за винятком самого початкового етапу - близько сотої частки секунди від " початку світу ". Для теорії важливо, що ця невизначеність на початковому етапі фактично виявляється несуттєвою, оскільки утворюється після проходження даного етапу стан Всесвіту і його подальшу еволюцію можна описати цілком вірогідно.

Закінчивши на цьому загальне введення, переходимо до більш докладного викладу теорії Великого Вибуху і породжуваних нею проблем. Основними експериментальними підставами даної теорії є наступні три:

1. Спостережуване "розбігання" далеких галактик, що підкоряється закону Хаббла .

2. Відкриття в 1964 році Р. Пензиасом і А. Вільсоном космічного фону " реліктового випромінювання ", За інтенсивністю та спектральним складом еквівалентного випромінювання чорного тіла з температурою близько 3 K (градуси Кельвіна).

3. Спостережуваний хімічний склад Всесвіту, що складається приблизно з 3/4 (по масі) водню і 1/4 гелію з невеликою (близько одного відсотка) домішкою інших елементів.

Для опису еволюції після першої сотої частки секунди використовуються наступні розділи теоретичної фізики:

1. рівноважна статфізіка, головним чином її основні принципи і теорія релятивістського ідеального газу;

2. загальна теорія відносності Ейнштейна, зокрема космологічна модель Фрідмана розширюється всесвіту;

3. деякі відомості з фізики елементарних частинок: список основних частинок, їх характеристики, типи взаємодії, закони збереження.

Всі необхідні дані і закономірності з цих розділів є надійно встановленими, тому що отримується з їх допомогою інформацію щодо еволюції системи можна вважати цілком достовірною. Принципові труднощі виникають лише при спробі просунутися ще ближче до "початку світу", тобто всередину першої сотої частки секунди. Для цього потрібні надійні відомості про фізику елементарних частинок в області надвисоких енергій, якими ми зараз не маємо, оскільки такі енергії недосяжні на земних прискорювачах. При подальшому просуванні до початку світу ми в якийсь момент зіткнемося з ще більш важкою проблемою необхідності "квантування гравітації", поки що не має навіть принципового задовільного рішення. В силу цих причин всі спроби дослідження найперших миттєвостей існування нашого світу залишаються поки чисто умоглядними теоретичними побудовами. Тому ми будемо просто не враховувати при розгляді це "першу мить" еволюції, обмежуючись лише наступним етапом, для якого маємо достовірну інформацію.

Перш за все пояснимо докладніше перераховані вище основні експериментальні свідчення на користь теорії Великого Вибуху .

1. Розширення всесвіту

За даними сучасної астрономії спостережень зірки у Всесвіті групуються в галактики , Які, в свою чергу, також утворюють скупчення . Подання про порядки величин дають наступні цифри: наша Галактика містить ~ 1011 зірок і має форму лінзи діаметром 80 тисяч світлових років і товщиною ~ 30 тисяч світлових років. Найближча до нас галактика M31 в сузір'ї Андромеди віддалена від нас на відстань близько 2 мільйонів світлових років. Ми знаходимося на периферії гігантського скупчення більше тисячі галактик з центром в напрямку сузір'я Діви, віддаленим на відстань ~ 60 мільйонів світлових років. Можливості сучасної техніки дозволяють спостерігати досить яскраві галактики аж до відстаней порядку 10 мільярдів світлових років. Дані спостережень показують, що у великих масштабах Всесвіт однорідний і ізотропний. Грубо кажучи, це означає, що в будь-якій сфері з фіксованим досить великим діаметром (достатнім вважається число ~ 300 мільйонів світлових років) міститься приблизно однакове число галактик. Затвердження про однорідність і ізотропності Всесвіту у великих масштабах прийнято називати космологічний принцип.

В спектрах зірок і галактик добре помітні спектральні лінії поглинання ( хромосфера зірок) відомих елементів. Це дозволяє досить точно вимірювати за допомогою добре відомого ефекту Доплера швидкість , З якої даний випромінюючий об'єкт віддаляється ( > 0) або наближається ( \ rightarrow 'Довжини хвилі випромінює джерела:

де - швидкість видалення, - швидкість світла (знаменник (1) - поправка в релятивістської теорії Ейнштейна, істотна тільки при , Близьких до швидкості світла ). з (1) видно, що для удаляющегося від нас об'єкти лінії зміщуються в червону сторону ( > '), А для наближається - в блакитну ( ').

Якби оточуючі нас галактики рухалися хаотично, то червоні і блакитні зміщення в їх спектрах спостерігалися б з однаковою ймовірністю. Але експеримент показує інше: червоні зсуви переважають і тим більше, чим далі від нас знаходяться досліджувані об'єкти. Кількісним підсумком цих спостережень є сформульований в 1929 році Хабблом "закон розбігання", згідно з яким всі галактики (в середньому) віддаляються від нас і швидкість цього розбігання приблизно пропорційна відстані до розглянутої галактики:

коефіцієнт пропорційності називають постійної Хаббла . Ми вказали в (2) прийняте зараз більшістю астрономів значення: 15 км / с на кожен мільйон світлових років відстані. Тут слід зазначити, що визначення величини за даними експерименту є дуже важким завданням: швидкості за ефектом Доплера можна визначити досить точно, але вимірювання відстаней до далеких галактик - важка проблема, і до сих пір вона вирішується лише різними непрямими методами. Сам Хаббл при оцінці відстаней занизив їх на порядок, тому отримав на порядок більше, ніж в (2) , значення (170 замість 15). До сих пір частина астрономів вважає, що значення помітно більше наведеного в (2) , Але більшість приймає цифру 15.

Із закону розбігання (2) , Зрозуміло, не випливає, що наша галактика є центром світу, а всі інші віддаляються від неї. Згідно космологічний принцип наша галактика нічим не виділена, так що точно таку ж картину розбігання повинен бачити спостерігач з будь-якої іншої галактики. Це означає, що "все розбігаються від всіх". Наочною моделлю такого розбігання може послужити надувається гумову кульку з нанесеними хаотично на його поверхню точками - "галактиками": при надування всі ці точки будуть віддалятися один від одного в точній відповідності з законом Хаббла (2) . Це модель "двовимірного замкнутого світу". Аналогічний "відкритий світ" можна представити у вигляді гумової площині з нанесеними точками, рівномірно розтягується на всіх напрямках.

з пропорційності і в законі (2) випливає фундаментальний висновок щодо існування "початку світу": десь в минулому був момент, в який будь-яка з спостережуваних зараз галактик була нескінченно близька до нашої, отже, "будь-яка до будь-якої" в силу Космологічного Принципу. Через такого зближення щільність речовини у Всесвіті в "початковий момент" стає нескінченною. Але це не означає, що все воно було зібрано в одному місці, так як той же Космологічний Принцип вимагає, щоб щільність ставала нескінченної в будь-якій точці простору.

Оцінити "вік Всесвіту" можна дуже просто, якщо припустити, що постійна Хаббла в процесі розширення залишається незмінною: тоді мільярдів років для числа з (2) . Насправді припущення про незмінність неправильно і точну оцінку можна отримати тільки за допомогою космологічної моделі Фрідмана (див. далі). До якісних змін це не призводить, а для тоді виходить 14 мільярдів років.

2. Реліктове випромінювання

Це найважливіше космологічне відкриття нашого століття, яке було зроблено випадково. У 1964 році астрономи Р. Пензиас і А. Вільсон вирішили виміряти фонове радіовипромінювання нашої Галактики в напрямках поза її площини екліптики. Для цього вони вирішили скористатися побудованої для зв'язку із супутниками рупорної антеною лабораторії фірми Белл-Телефон, сконструйованої так, щоб забезпечити наднизький рівень власних шумів. Останнє дуже важливо, тому що очікуване фонове радіовипромінювання галактики також подібно радіошуми, який слід було виділити на тлі інших шумів від атмосфери, самої антени і її підсилюючих ланцюгів.

Після ретельного аналізу і оцінки всіх цих "паразитних" шумів Пензиас і Вільсон почали вимірювання на порівняно коротких хвилях з довжиною 7,35 см (мікрохвильовий діапазон), для яких радіошум галактики повинен практично відсутні. Вони очікували, що весь сигнал буде тоді простою сумою вже відомих "паразитних шумів". Але виявилося, що крім них система реєструє деякий слабкий додатковий радіошум, інтенсивність якого не залежить ні від напрямку антени, ні від часу доби.

Пензиас і Вільсон не розуміли природи цього додаткового радіошуму і навіть розібрали, почистили і знову зібрали всю антену, щоб виключити додаткові перешкоди від можливих забруднень. Але це практично не змінило результат, і їм довелося констатувати, що з незрозумілих (для них) причин їх антена приймає додатковий слабкий радіошум позаземного походження, інтенсивність якого постійна в часі і не залежить від напрямку. Виміряна ними на довжині хвилі 7,35 см інтенсивність цього сигналу виявилася рівною інтенсивності випромінювання на даній довжині хвилі абсолютно чорного тіла з температурою близько трьох кельвінів. Пензиас і Вільсон натрапили на цей факт випадково і деякий час навіть не наважувалися опублікувати свої результати, оскільки не розуміли природи виявленого ними радіошуму (в 1978 році вони отримали за своє відкриття Нобелівську премію). Але вже в кінці сорокових років з'явилися перші роботи фізиків-теоретиків, в яких передбачалося, що в даний момент вся Всесвіт повинна бути заповнена рівноважним електромагнітним випромінюванням з ефективною температурою в кілька градусів Кельвіна.

Розподіл по енергіях такого рівноважного випромінювання (воно ж випромінювання абсолютно чорного тіла) описується відомою формулою Планка

в якій - енергія в одиниці об'єму, яка припадає на інтервал довжин хвиль від до + , - температура в кельвінах K, ерг с - постійна Планка, ерг / K - постійна Больцмана, c = 3 см / c - швидкість світла.

Згідно з твердженнями теоретиків, на ранній стадії Всесвіт була заповнена рівноважним випромінюванням з дуже високою температурою. У процесі розширення Всесвіту це випромінювання охолоджувалося, залишаючись рівноважним, і до теперішнього часу температура опустилася до значень декількох градусів Кельвіна. Саме це "реліктове випромінювання", що залишився від початкової фази гарячої ранньому Всесвіті, виявили Пензиас і Вільсон. Вони дізналися про це, вступивши в контакт з фізиками з Прінстонського університету, які були знайомі з теорією гарячої (на ранній стадії) Всесвіту і вже будували спеціальну антену для виявлення реліктового випромінювання. Але Пензиас і Вільсон їх випередили.

наявність реліктового випромінювання вважається зараз достовірно встановленим фактом. Основний перевіркою є можливість його виміру на різних довжинах хвиль : Інтенсивність сигналу повинна бути пропорційною відомої з (3) величиною з однієї і тієї ж для всіх температурою . В даний час вимірювання виконані для десятків різних довжин хвиль як в мікрохвильовій, так і в інфрачервоній області спектра електромагнітних хвиль (відповідно до розподілу (3) максимум інтенсивності при = 3 K відповідає = 0,1 см, більш короткі хвилі відносяться вже до інфрачервоної області). За останніми даними, отриманим за допомогою встановленої на супутниках апаратури, сучасне значення температури реліктового випромінювання є 2,74 K. Точність цих вимірів вже настільки висока, що вона дозволила виявити наявність слабкої анізотропії реліктового випромінювання, пояснює рухом земного спостерігача через заповнений випромінюванням простір. Внаслідок того ж ефекту Доплера випромінювання прямо у напрямку руху повинно здаватися трохи більш гарячим, а в зворотному напрямку - холоднішим. Ці невеликі (порядку 10-3 від основної величини) варіації температури були виявлені експериментально, і вони мають характерну ( ) Кутову залежність. За цими даними можна обчислити швидкість руху Землі відносно цього "нового ефіру", утвореного фоном реліктового випромінювання. У підсумку виходить значення близько 600 км / с. Крім цієї "уявній" анізотропії, в експериментах виявлена ​​і справжня (не пов'язана з рухом Землі) анізотропія реліктового випромінювання. Вона дуже мала (порядку 10-5 від основної величини), тому з високим ступенем точності реліктове випромінювання можна вважати однорідним і ізотропним. Але сам факт наявності хоча б дуже слабкою анізотропії принципово важливий для різних теорій, які намагаються пояснити і описати математично походження галактик.

3. СКЛАД ВСЕСВІТУ

Як вже було сказано, за даними спостережень Всесвіт складається в основному з водню (3/4 по масі) і гелію (1/4), інші елементи складають домішка порядку одного відсотка. Ці дані отримані за спектрами зірок і міжзоряного газу і добре узгоджуються з теоретичними моделями астрофізики, що описують склад і еволюцію зірок. Наведені вище цифри 3/4 і 1/4 належать до початкової фази цієї еволюції, в процесі якої в зірках виробляються і інші, в тому числі важкі, елементи.

За сучасними уявленнями, десь в перші хвилини свого існування Всесвіт пройшов "еру нуклеосинтеза" (докладніше потім), під час якої і утворилися водень і гелій в пропорції 3: 1 плюс незначна домішка інших легких елементів, зокрема літію Li, і ізотопів водню - дейтерію D і тритію T. Всі інші більш важкі елементи утворилися вже набагато пізніше всередині зірок, а в міжзоряний простір вони потрапляють при вибухах наднових і т.п. Як це не дивно, саме простий факт переважання водню у Всесвіті дозволив теоретикам передбачити необхідність існування реліктового випромінювання.

Для подальшого викладу також важливо зіставити щільність ядерних частинок (протонів і нейтронів) в спостережуваному Всесвіті з щільністю числа фотонів в реліктовому випромінюванні. Відповідно до теорії Планка, рівноважний електромагнітне випромінювання можна розглядати як певний ідеальний газ безмассових частинок - фотонів, що мають енергію для довжини хвилі . щільність енергії (3) пов'язана з щільністю числа фотонів очевидним співвідношенням , Так що з (3) визначається і розподіл числа фотонів по довжинах хвиль. інтегруючи по всім , Отримаємо повне число фотонів в одиниці об'єму, аналогічний інтеграл від з (3) дає об'ємну щільність енергії , приватна - середню енергію одного фотона . Всі ці величини залежать тільки від температури і світових констант:

[Ерг / см3], [Фотонів / см3],

де - температура в кельвінах, - відомі Константи: . Перше з СПІВВІДНОШЕНЬ (4) назівається законом Стефана-Больцмана. з (4) віпліває, что при сучасній температурі = 3 K в тлі реліктового випромінювання містіться 550 миллионов фотонів на 1 кубометр. Оцінка щільності Речовини за данімі СПОСТЕРЕЖЕНЬ залішається поки невизначенності, но в будь-якому випадка НЕ ​​виходе за Межі від 6 до 0,03 ядерних Частки на 1 кубометр (крітічної щільності відповідає число 3). Таким чином, на одну ядерну Частка пріпадає около 108 - 1010 фотонів. Надалі при оцінках будемо приймати цифру 109: один мільярд фотонів на одну ядерну частку.

Хоча це дуже велике число, основна енергія зараз зосереджена в речовині, а не в випромінюванні. енергія однієї ядерної частинки дорівнює близько 1000 МеВ (МеВ = 1 мільйон електронвольт), тоді як отримується з (4) середня енергія одного фотона при = 3 K становить в тих же одиницях (1 ерг = еВ) приблизно еВ. Ця величина навіть після множення на 109 залишається на три порядки менше енергії однієї ядерної частинки, так що переважна частка щільності енергії припадає зараз на речовина. Але так було не завжди: на ранній стадії основна частка енергії припадала на випромінювання (див. Нижче).

Переходячи до опису самого процесу еволюції, виділимо мислення в просторі довільну сферу досить великого радіуса ( "Досить" для справедливості Космологічного Принципу) і будемо стежити за еволюцією в часі міститься всередині даної області випромінювання і речовини, припускаючи їх розподіл однорідним і ізотропним. Термін "випромінювання всередині даної сфери", звичайно, умовний, оскільки фотони можуть виходити з неї і приходити ззовні. Але ці два процеси в силу передбачуваної однорідності взаємно компенсують один одного, так що поняття "кількість випромінювання (енергії) всередині даної сфери" має сенс. Відповідно до закону Хаббла (1) радіус даної області зростає зі швидкістю . Оскільки кількість речовини всередині сфери залишається незмінним, його щільність змінюється за законом . Це відноситься і до енергетичної, і до масової щільності, так як вони пов'язані простої пропорційністю .

Розглянемо тепер енергію реліктового випромінювання. На даний момент Всесвіт практично прозора для електромагнітних хвиль (раз ми бачимо далекі галактики), тобто Зараз випромінювання практично не взаємодіє з речовиною і еволюціонує самостійно. Його можна розглядати як релятивістський газ фотонів з деякою температурою , Що знаходиться всередині сфери радіуса і адиабатически (тобто без обміну теплом із зовнішнім областю) розширюється. З статистичної фізики відомо, що повна ентропія такого газу пропорційна - обсяг сфери) і залишається постійною в процесі розширення. Звідси слідує що и пов'язані співвідношенням = Const, тобто . Це означає, що в той момент минулого, коли все галактики були вдвічі ближче один до одного, Всесвіт була вдвічі гаряче і що "дуже давно" вона була "дуже гарячою". Термін "температура Всесвіту" в цій фазі позначає температуру реліктового випромінювання і не має відношення до речовини.

Зі сказаного вище і першого рівності (4) випливає, що енергетичні щільності речовини і випромінювання пов'язані з и наступними співвідношеннями: изл , вещ , . З них випливає, що при "русі в минуле" ( ) величина изл зростає швидше, ніж вещ. Тому сучасна "епоха речовини" ( изл вещ) десь в минулому обов'язково повинна переходити в "епоху випромінювання" ( изл вещ) з іншою залежністю від и .

Розглянемо в загальних рисах основні етапи еволюції, рухаючись назад у напрямку до "початку світу" і приймаючи за незалежну змінну температуру (Згодом ми увяжем її з віком Всесвіту). З ростом зростає середня енергія фотона (4) , Своєю чергою величини рівна . Якісні зміни відбуваються тоді, коли величина досягає значень порядку енергії зв'язку електронів в атомах і молекулах (~ 1 еВ), потім ядер (~ 1 МеВ), потім - порогів народження пар частка - античастинка, спочатку для найлегших елементарних частинок, потім з ростом - все більш важких. Пояснімо докладніше. Елементарні частинки характеризуються своєю масою спокою (Зазвичай замість наводиться значення відповідної енергії в електронвольтах), а також дискретними квантовими числами: спіном (внутрішній момент кількості руху) і різними зарядами - електричним, баріонним і лептонним. У відповідних одиницях спін будь-якої частинки є цілим або напівцілим числом, частинки з цілим спіном є бозона, з напівцілим - фермионами. Фотон - окремий випадок бозона зі спіном 1 і нульовими значеннями і всіх трьох зарядів. Якщо для даного сорту частинок , То їх масою можна знехтувати, і тоді для будь-яких бозони частинок розподіл по енергіях матиме той же вигляд (3) , Що і для фотонів, а для ферміонів знак мінус в знаменнику (3) заміниться знаком плюс. Це призведе лише до незначного (множники типу 7/8) зміни коефіцієнтів у формулах (4) , Так що відмінність між бозонами і фермионами несуттєво.

Більшість часток має відповідну пару - античастинкуз тієї ж масою і спіном і протилежними значеннями всіх зарядів. Всі три заряду зберігаються в будь-яких процесах взаємодії елементарних частинок. При їх зіткненнях можуть відбуватися будь-які взаємоперетворення часток, допустимі по енергії і законам збереження зарядів. Зокрема, при зіткненні двох фотонів з досить високою енергією можуть народжуватися різні пари частинка - античастинка. Такі процеси починаються, коли величина досягає порогового значення для даного сорту частинок, і стають дуже інтенсивними при . Перелічимо найбільш важливі елементарні частинки, вказуючи в дужках їхні традиційні позначення, енергію спокою і порядок величини порогової температури: електрон і його античастинка позитрон ( , = 0,5 МеВ, K), аналогічні пари мю-мезонів ( , МеВ), пі-мезонів ( , , E ~ 135 МеВ) з пороговою температурою порядку 1012 K, нарешті, ядерні частинки протон (пара , , = 938,26 МеВ) і нейтрон (пара , , = 939,55 МеВ) з пороговою температурою 1013 K. Нейтрон трохи (на 1,3 МеВ) важче протона, і це важливо для ери нуклеосинтеза.

Тепер ми можемо простежити еволюцію "назад по часу" при наростанні температури . Перше якісна зміна відбувається при ~ 3000 K, коли досягає величин порядку 1 еВ і випромінювання починає розбивати атоми. Речовина тоді перетворюється в плазму, що складається з вільних ядер і електронів, її щільність наростає ~ при подальшому зростанні . Через якийсь час при порядку 104 K таке середовище стає вже непрозорою для випромінювання: фотони розсіюються на вільних електронах і ядрах, і це призводить до встановлення загального теплового рівноваги між випромінюванням і речовиною із загальною для всієї системи температурою . Наступний важливий етап - ~ 1010 K, коли починається інтенсивне народження електрон-позитронного пар (поріг K) і процеси розвалу ядер на їх складові - вільні нейтрони і протони. Щільність маси в цей період досягає значень порядку 105 г / см3. Настільки висока щільність збільшує число взаємних зіткнень, і це забезпечує встановлення термодинамічної рівноваги для всіх типів присутніх в системі частинок. До порога народження пар , и , ще далеко ( пір ~ 1013 K), тому відношення числа протонів до числа нейтронів визначається класичною формулою Гіббса

що при K дає .

Якби процес нуклеосинтеза відбувався саме в цей момент, то практично всі нейтрони повинні були б увійти до складу найбільш стійких ядер 4He (два нейтрона плюс два протона), що призвело б до результату = 52/48 для відносини мас водню і гелію. Експериментальне значення цього відношення інше, а саме 3: 1. Це доводить, що процес нуклеосинтеза реально відбувається пізніше при більш низьких температурах, коли визначається співвідношенням (5) баланс ще більше зміщується на користь протонів. Наприклад, при K з (5) отримаємо = 86/14, звідки = 72/28, що вже узгоджується з експериментом.

Для пояснення такої затримки нуклеосинтеза якраз і потрібна наявність дуже великого числа фотонів на одну ядерну частку. Це число не визначається автоматично умовами термодинамічної рівноваги. Воно залишається незмінним протягом аналізованого періоду еволюції, оскільки обидві щільності числа частинок змінюються по одному і тому ж закону ~ (Тобто повне число частинок зберігається). Якби фотонів (випромінювання) не було, то при = 1010 K протони і нейтрони вже могли б зливатися в ядра 4He, так як їх енергія зв'язку перевищує характерну теплову енергію 1 МеВ. Наявність фотонів з такою ж енергією гальмує процес нуклеосинтеза, оскільки фотони, стикаючись з ядрами, сприяють їх розвалу на вихідні елементи. Цей конкуруючий з нуклеосинтезом процес йде тим швидше, чим більше щільність числа фотонів. Для забезпечення затримки нуклеосинтеза аж до температур порядку 109 K (що потрібно для пояснення експериментального відносини 3: 1), згідно з розрахунками фахівців з ядерних реакцій, необхідна дуже висока щільність числа фотонів порядку 108 - 1010 на ядерну частку. Вона настільки велика, що навіть до теперішнього часу повинна залишити помітний слід в формі реліктового випромінювання - саме з цих міркувань воно і було передбачено теоретиками.

При подальшому зростанні почнуться процеси народження пар важчих частинок. Речовина Всесвіту буде тоді являти собою деякий дуже гарячий і дуже щільний "суп" з усіх допустимих по енергіях частинок і античастинок, що знаходиться в стані теплової рівноваги. У якийсь момент енергії стануть настільки високі, що ми увійдемо в ту область фізики елементарних частинок, про яку мало що поки знаємо. Нарешті, при "планківських енергіях", відповідних ~ 1 032 K, гравітаційна взаємодія по силі зрівняється з іншими (сильними, слабкими, електромагнітними), і його вже не можна буде розглядати чисто класично: виникає проблема квантування гравітації. Але важливо, що всі ці невизначеності відносяться тільки до початкового етапу, а після охолодження до температури порядку 1011 K все стає вже цілком передбачуваним.

Нам ще хотілося б пов'язати шкалу температур з часом - віком Всесвіту . Для цього потрібні рівняння Фрідмана для розширення однорідної і ізоторопной Всесвіту. Їх висновок складний, тому що спирається на загальну теорію відносності Ейнштейна. Але кінцевий результат простий і може бути сформульований у вигляді диференціального рівняння

в котрому - радіус даної сфери, - швидкість її розширення, - повна масова щільність (речовини плюс випромінювання) Всесвіту, см3 / (г с) - гравітаційна постійна. для речовини , А для випромінювання , Тому на ранній стадії еволюції ( 0) доданок з в (6) важливіше константи в правій частині, і останньої можна знехтувати. тоді рівняння (6) легко вирішується: для епохи випромінювання ( = const ) отримаємо , А для епохи речовини ( = const ) отримаємо . При обліку зв'язку тоді маємо в першому випадку і у іншому. Це дозволяє зв'язати шкалу температур зі шкалою часу, причому для температур вище 104 K слід користуватися співвідношеннями епохи випромінювання, а для більш низьких температур - епохи речовини.

Елементарний розрахунок тоді показує, що "Планка температура" = 1 032 K досягається через 10- 43 секунд від початку світу, = 1 013 K - через 10- 6 секунд, = 1010 K - через 1 секунду, = 109 K - через 1 хвилину, = 104 K (зміна епох) - через 100 тисяч років, = 103 K - через 1 мільйон років. Таким чином, первинний нуклеосинтез завершується вже через кілька хвилин від "початку світу", а формування атомів - через мільйон років. Після цієї досить бурхливої ​​стадії початковий етап еволюції завершується і переходить в рутинний процес розширення, який ми і спостерігаємо зараз, через приблизно 15 мільярдів років від "початку світу".

Наведене тут виклад теорії Великого Вибуху було по необхідності коротким і неповним. Більш детальну інформацію можна знайти в книгах [1] , [2] .

Інформацію про більш пізніх і поки що дискусійних дослідженнях в цій галузі (рання Всесвіт, походження асиметрії частинка-античастинка і ін.) Можна знайти в статтях [3] , [4] (За вказівку цих посилань автор вдячний рецензента А.М. Черепащук), а також в книгах [5] , [6] .

література