Реферат: Вселенная и пути ее эволюции

--PAGE_BREAK--Хаос оказался неустойчивым, это послужило исходным толчком для последующего развития Вселенной.
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[1] 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.
Ранний этап эволюции Вселенной
Доступная астрономическим наблюдениям современная Вселенная состоит на 99% из водорода и гелия, но в первона­чальном плазмоподобном[2] 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[3] и кварки[4] 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”.
В течение первой секунды температура снизилась до 10 млрд. градусов. Этого оказалось достаточно для отделения от газовой смеси нейтрино и антинейтрино. К 14 секунде темпе­ратура упала до 3 млрд. градусов и при этом появились усло­вия для соединения и аннигиляции электронов и позитронов. При этом электронов опять-таки было немного больше, чем позитронов. Их избыток и суммарный отрицательный заряд точно компенсировал суммарный положительный заряд про­тонов, которые появились раньше. Также в протоны превра­щались свободные нейтроны, пока в конце концов отношение числа протонов к числу нейтронов не стало равно 8:1, оно со­хранилось в дальнейшем и определило соотношение водорода и гелия во Вселенной. Спустя 3 минуты 2 секунды после “начала” температура снизилась до миллиарда градусов. На этом завершилось формирование ранней Вселенной и начался процесс соединения протонов и нейтронов в составные ядра — нуклеосинтез. Плот­ность вещества в что время уже была в сто раз меньше плотно­сти воды, размеры Вселенной возросли почти до 40 световых лет (для расширения пространства скорость света не является предельной). Через полчаса после “начала” барионное вещест­во Вселенной состояло из 28% гелия, остальное — ядра водорода (протоны). Но барионное вещество — это ничтожная часть Все­ленной, ее основными компонентами были фотоны и нейтрино.
Затем почти 500 тысяч лет шло медленное остывание. Все­ленная, оставаясь однородной, становилась все более разре­женной. Когда она остыла примерно до 3 тысяч градусов, про­тоны (ядра водорода) и ядра атомов гелия уже могли захваты­вать свободные электроны и превращаться при этом в нейтральные атомы водорода и гелия. Излучение отделилось от атомарного вещества и образовало то, что в нашу эпоху назвали реликтовым излучением. В своей структуре реликтовое излучение сохранило “память” о структуре барионного веще­ства в момент разделения. Сегодня его энергия снизилась до температуры всего 3 К. И оно излучает радиоволны в санти­метровом диапазоне. Эти радиоволны были открыты в 1964 г. и стали серьезным подтверждением концепции “горячей” Все­ленной. Они равномерно поступают из всех точек небосвода и не связаны с каким-нибудь отдельным радиоисточником.
В результате мы имеем однородную Вселенную, представ­ляющую собой смесь трех почти не взаимодействующих суб­станций: лептонов (нейтрино и антинейтрино), реликтового излучения (фотоны) и барионного вещества (атомы водорода, гелия и их изотопы). В сложившихся условиях, когда уже нет ни высоких температур, ни больших давлений, казалось, перспективой было бы дальнейшее расширение и остывание Все­ленной, завершающееся образованием “лептонной пустыни” — чем-то вроде тепловой смерти. Но этого не произошло, напро­тив, произошел скачок, создавший современную структурную Вселенную. По современным оценкам, переход от однородной Вселенной к структурной занял от 1 до 3 миллиардов лет.
Структурная самоорганизация Вселенной
Предполагается, что в расширяющейся Вселенной возни­кают и развиваются случайные уплотнения вещества. Силы тяготения внутри уплотнения проявляют себя заметнее, чем вне него. Поэтому, несмотря на общее расширение Вселенной, вещество в уплотнениях притормаживается, и его плотность постепенно нарастает. Появление таких уплотнений и стало началом рождения крупномасштабных структур во Вселенной. Согласно расчетам, из этих сгущений должны были возникать плоские образования, напоминающие блины.
Сжатие водородно-гелиевой плазмы в “блины” неизбежно приводило к значительному повышению их температуры. В ко­нечном счете, сжатие “блина” порождало его неустойчивость, и он распадался на более мелкие подсистемы, которые, возможно, стали зародышами галактик. Подсистемы, в свою очередь, дос­тигали состояния неустойчивости и распадались на более мел­кие уплотнения, ставшие зародышами звезд первого поколения.
Образование разномасштабных структур во Вселенной от­крыло возможность для новых усложнений вещества. Важней­шим узловым моментом стало образование всей совокупности элементов таблицы Менделеева. Они появились в звездах в хо­де процессов звездного нуклеосинтеза.
Согласно современным представлениям, присутствующие в межзвездной среде тяжелые элементы изготовлены в звездах типа красных гигантов. Желтые карлики типа нашего Солнца поддерживают свое состояние главным образом в результате термоядерной реакции, превращающей водород в гелий. Красные гиганты обладают массой, в несколько раз превы­шающей солнечную, водород в них выгорает очень быстро. В центре, где сосредоточен гелий, их температура достигает не­скольких сотен миллионов градусов, что оказывается доста­точным для протекания реакций углеродного цикла — слияния ядер гелия в углерод. Ядро углерода, в свою очередь, может присоединить еще одно ядро гелия и образовать ядро кисло­рода, неона и т.д. вплоть до кремния. Выгорающее ядро звезды сжимается, и температура в нем поднимается до 3 — 10 млрд. градусов. В таких условиях реакции объединения продолжа­ются вплоть до образования ядер железа.
Ядро железа — самое устойчивое во всей последовательно­сти химических элементов. Здесь проходит граница, выше ко­торой нуклеосинтез перестает быть источником выделяющейся энергии (как это было в предыдущих реакциях) и протекание реакций с образованием еще более тяжелых ядер требует энер­гетических затрат.
Разработана теория образования в недрах красных гиган­тов элементов от железа до висмута — в процессах медленного захвата нейтронов. Образование же наиболее тяжелых ядер, замыкающих таблицу Менделеева, предположительно проис­ходило в оболочках взрывающихся звезд или при прохожде­нии сильной ударной волны, созданной взрывом сверхновой звезды, через гелиевую оболочку этой звезды с массой около 25 солнечных масс.
Красные гиганты быстро расходуют запас гелия, у них ко­роткий жизненный цикл порядка десятка миллионов лет. За время своего активного существования красный гигант отдает в межзвездную среду ежегодно не менее 10-4 –10-5 масс Солн­ца, а в конце существования он с взрывом сбрасывает внеш­нюю оболочку вместе с накопившимися в ней “шлаками” — хи­мическими элементами, результатами деятельности циклов нуклеосинтеза. Поэтому межзвездная среда сравнительно бы­стро обретает все известные на сегодняшний день химические элементы тяжелее гелия. Звезды следующих поколений, в том числе и Солнце, с самого начала содержат в своем составе и в составе окружающего их газопылевого облака примесь тяже­лых элементов.
Появление во Вселенной всей гаммы химических элементов открыло новый этап в развитии вещества и в формировании его структур. Так, в местах нахождения разнообразных хими­ческих элементов протекают процессы их объединения в моле­кулы, сложность которых может нарастать до очень высоких уровней. Причину, заставляющую атомы объединяться в мо­лекулы, наука знает достаточно хорошо. В основе этих процес­сов — химические силы, за которыми скрывается одна из фун­даментальных сил природы — электромагнитное взаимодейст­вие. Процессы соединения атомов в молекулы широко распро­странены во Вселенной. В межзвездной среде, где концентра­ция вещества ничтожно мала, тем не менее, обнаруживаются молекулы водорода. Там же встречаются мельчайшие пылин­ки, в их основе — кристаллики льда или углерода с примесью гидратов разных соединений. Молекулярный водород вместе с гелием образует газовые межзвездные облака. Скопление газов вместе с пылинками формирует газопылевые облака. Но са­мое интересное, с чем столкнулись наблюдатели, — это неожиданно большое присутствие в космосе разнообразных орга­нических молекул, вплоть до таких сложных, как молекулы некоторых аминокислот. В межзвездных облаках насчитали более 50 видов органических молекул. Еще удивительнее, что органические молекулы находят во внешних оболочках неко­торых не очень горячих звезд и в образованиях, температура которых незначительно отличается от абсолютного нуля. Так что синтез молекул, в том числе и органических, — распростра­ненное и вполне обыденное явление в космосе. Правда, наука пока не может с уверенностью назвать конкретные пути проте­кания такого синтеза.
В связи с этим невольно возникает вопрос, способно ли ус­ложнение вещества достигнуть самых высоких уровней вне планет, в межзвездной среде или в оболочках не очень горячих звезд? Иначе говоря, возможна ли там жизнь?
Эта тема неод­нократно обыгрывалась в научно-фантастических произведе­ниях, но современная наука не позволяет дать ни положитель­ного, ни отрицательного ответа на этот вопрос. Пока мы зна­ем только один вариант жизни в Космосе — на Земле.
Наличие тяжелых химических элементов, а также молекул и их соединений обеспечивает также возможность образования около некоторых звезд второго поколения планетных систем типа Солнечной. В таких системах становится возможным протекание геологической и химической эволюции.
Образование Солнечной системы
Как и в случае со Вселенной, современное естествознание не дает точного описания этого процесса. Но современная наука решительно отвергает допущение о случайном образо­вании и исключительном характере образования планетных систем. Современная астрономия дает серьезные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звезд. Так, при­мерно у 10% звезд, находящихся в окрестностях Солнца, обна­ружено избыточное инфракрасное излучение. Очевидно, это связано с присутствием вокруг таких звезд пылевых дисков, которые, возможно, являются начальным этапом формирова­ния планетных систем.
    продолжение
--PAGE_BREAK--