Эволюция материи на уровне микромира и мегамира

Теория направляет науку, эксперимент ее продвигает.

П. Л. Капица,

советский физик

Инфляционная теория вплотную приблизилась к началу расширения Вселенной в момент времени 10^-43с, когда квантовая гравитация существует в виде многомерной пенистой структуры пространства и времени.

Объясняя происхождение Вселенной из возбужденного вакуума, она пытается решить одну из основных проблем мироздания – возникновения всего (Вселенной) из ничего (из вакуума).

При этом подчеркивается, что Вселенная эволюционирует в соответствии с законом сохранения и превращения энергии.

Согласно современным теоретическим моделям в процессе эволюции материя на уровне микромира и мегамира обретает свои различные формы поэтапно. Эти своеобразные этапы в космологии именуются эрами. Для каждой эры выделяется преобладающая форма взаимодействия и организации материи, и в соответствии с этим даются названия эр:

эра великого объединения, адронная эра, лептонная эра, фотонная эра, эра образования галактик и звезд и современная эпоха.

Эра великого объединения охватывает промежуток времени приблизительно от 10^-43 до 10^-35с, и включает в себя превращения материи от возбужденного вакуума через его разрушение до образования под действием некой суперсилы сверхплотной материи, состоящей из сверхтяжелых частиц [16].

Эра адронов охватывает промежуток времени приблизительно от 10^-35 до 10^-6с. Адронами, как отмечено выше, называют частицы, которые обладают вещественной массой и свойством сильного взаимодействия. Начало эры адронов знаменуется Большим взрывом,

в ходе которого единый до того тип взаимодействия (суперсила) разделяется на три типа взаимодействия – гравитационное, сильное ядерное и электрослабое.

Результатом такого разделения стало образование кварков и лептонов, а на их основе – адронов. Из адронов нас интересуют прежде всего протоны и нейтроны, так как они являются главными слагающими вещества Вселенной. Необходимо также иметь в виду, что в результате взрыва и расширения Вселенной происходит постепенное понижение температуры и плотности материи. На ранних стадиях материя существовала в виде частиц и излучения. Когда температура Вселенной была еще большой, энергия излучения преобладала над энергией вещественных частиц. По мере снижения температуры величина этих видов энергии сначала сравнивается, а затем в преобразованиях частиц начинает преобладать энергия вещества.

В период образования адронов температура Вселенной превышала 10¹²К, там общее количество частиц и античастиц было еще одинаковым. Возникшие частица и античастица вступали во взаимодействие и аннигилировали, но в силу высоких энергий при большой температуре на их месте тут же рождались новые частица и античастица, так что между ними было равновесие. Но из-за расширения и охлаждения Вселенной в конце эры адронов для рождения новых частиц не хватало энергии, поэтому аннигиляция стала преобладать.

На нашу удачу проаннигилировали не все протоны и нейтроны, часть их осталась, из них-то и образовалось вещество нынешней Вселенной, включая нас с вами.

Почему так произошло? На этот вопрос концепция Большого взрыва затруднялась дать ответ, а инфляционный сценарий решает этот вопрос. Температура тогда была достаточно высокой, что обусловило нарушение закона барионного числа, в силу чего часть протонов и нейтронов избежала аннигиляции. Из равновесия (из симметрии) вещества с излучением вышли гипероны, протоны и нейтроны, К-мезоны и π-мезоны.

Далее следует эра пептонов, охватывающая промежуток времени от 10^-6 до 1 с. В этот период температура Вселенной находилась в промежутке от 10¹⁰К до 10¹²К. Здесь основную роль играют лептоны, участвующие во взаимных превращениях протонов и нейтронов. Для античастиц указанная температура была низка, и они больше не могли существовать. В конце эры лептонов происходит аннигиляция электронов и позитронов. Но и здесь произошло отступление от равновесия: часть электронов осталась, а позитроны аннигилировали.

К концу первой секунды остались только нейтроны, протоны, электроны, нейтрино и гравитоны. В момент времени 0,2с Вселенная становится прозрачной для электронных нейтрино, потому что они перестают взаимодействовать с веществом.

Далее следует фотонная эра, которая длилась от 1 с примерно до 1 млн. лет. Начало эры ознаменовалось разделением электрослабых взаимодействий на слабые ядерные и электромагнитные. Квантами электромагнитного поля являются фотоны. Основная доля энергии во Вселенной приходилась на фотоны, так как во Вселенной на каждый протон приходится один миллиард фотонов, то есть их соотношение равно 1:10⁹. В первые 5 минут эры происходили важные события. К началу эры количество протонов и нейтронов было примерно равным. Но по мере понижения температуры Вселенной число протонов стало превышать число нейтронов, поскольку реакции с образованием протонов (которые немного легче нейтронов) энергетически более выгодны. Поэтому в начале эры нейтроны составляли лишь 15 % от числа протонов, что затем скажется на свойствах химических элементов.

В эру фотонов температура Вселенной снижалась в промежутке от 10¹⁰К до 3000 К. При таком снижении температуры энергия нуклонов снизилась, а нейтроны начали захватываться протонами, происходило образование ядер гелия (примерно 25 % по массе вещества).

Через 10⁵ лет, когда температура снизилась примерно до 3000 К, свободные протоны и электроны объединились в атомарный водород (примерно 75 % по всей массе). На этой стадии вещество стало прозрачным для электромагнитных излучений, поскольку фотоны перестали взаимодействовать с веществом.

Так во Вселенной образовался газ, состоящий из атомов водорода, гелия, очень малого количества бериллия и лития, отчасти свободных ядер. По мере расширения Вселенной и охлаждения газа, примерно через 700 000 лет начали образовываться газовые облака, из которых постепенно возникали протогалактики. Области повышенной плотности притягивали дополнительное вещество, и сила их тяготения возрастала. Медленное сжатие этих протогалактик происходило под действием сил самогравитации. Одна за другой последовательно сменялись фрагментации, и примерно через один миллиард лет начался процесс звездообразования.

Вопрос о происхождении нашей Вселенной (хотим мы того или нет) несет в себе большой мировоззренческий потенциал. Поэтому часто проводимые аналогии между современными научными и старыми философскими решениями данного вопроса, на наш взгляд, не лишены смысла. Прежде всего это относится к идее космоцентризма, согласно которой все сущее, включая человека, объединяется единым космическим целым, поскольку все существующее имеет космическое происхождение. Космоцентризм – характерная черта многих древних учений и последующих эпох. Именно поэтому В.И. Вернадский, К.Э. Циолковский, Тейяр де Шарден и другие мыслители в XX столетии ставили вопрос о необходимости включения человека в научную картину мира.

Хотя современная космология теоретически выводит происхождение Вселенной из возбужденного вакуума, она вплотную приблизилась к тому, чтобы объяснять ее из первородного космического вакуума, то есть из ничего. Поэтому неудивительно, что это слово часто стало встречаться в работах многих специалистов по релятивистской космологии. К своему удивлению, физики обнаружили, что идея происхождения всего (Вселенной) из ничего не нова. В древнекитайской «Книге перемен» говорится, что все во Вселенной происходит из дао. Дао бестелесно. Дао туманно и неопределенно. Однако в его туманности и неопределенности содержатся образы и вещи. Оно глубоко и темно, но в нем скрыты тончайшие частицы, которые обладают высшей достоверностью и действительностью. Дао есть единство бытия и небытия, которые обусловливают друг друга. Такое единство бытия и небытия современными учеными трактуется как физический вакуум.

Аналогичные идеи сформировались в древнеиндийской философии. В комментариях к ведическим текстам «Араньяки» вводится важнейшее для древнеиндийской философии понятие «атман» в качестве универсального исходного начала, из которого возникает весь мир, включая человека. «Земля, ветер, воздух, воды, небесные тела – все это атман. Все возникло из него. Все завершается в нем». Он движется и не движется, далек и близок, внутри всего и вне всего. Он не осязаем, беззвучен и т. п., то есть опять-таки ничего, из которого происходит все. Это также созвучно идее релятивистской космологии о происхождении Вселенной из вакуума.

Из сказанного, на наш взгляд, можно сделать вывод о том, что рассмотрение мировых проблем в XX столетии достигло такого уровня развития, когда обнаруживаются точки соприкосновения науки и философии с религией. Хотя вряд ли можно согласиться с тем, что западные ученые истолковывают это сближение как низведение науки до уровня религиозно-мистического мироощущения. Так, американский специалист в области физики высоких энергий Ф. Каира, исходя из указанного параллелизма, пытается обосновать вывод о том, что мистическое видение мира более глубоко и совершенно, чем современная научная картина мира. Нам представляется более разумным не науку низводить до религиозно-мистического уровня, а, наоборот, поднимать феномены религиозно-мистического опыта до уровня научного объяснения, насколько эти феномены реальны. Наука – это храм знаний, куда, как и в царство Божье, нельзя войти, не уподобившись детям. Иначе говоря, в науку нужно входить без предрассудков, которые Ф. Бэкон называл «идолами». А между тем идол атеизма довлеет над многими исследователями, что, на наш взгляд, не способствует научному прогрессу.