Схема 50. Основные этапы космологической шкалы («стрелы») времени

Этапы	Основные идеи и явления	Обоснования	Время от сегодняшнего момента
Название	Кос-мическое время	Тем-пера-тура (К)
v Сингулярное состояние Вселенной в пузырьковой модели и в модельной теории струн			Невозможность избежать сингулярности, т.е. «точечного» объема с бесконечно большой плотностью, в космологических моделях общей теории относительности была доказана в числе прочих теорем о сингулярности, Р. Пенроузом и С. Хокингом в конце 1960-х годов.	Расширение Вселенной, открытое Э. Хабблом на основе обнаруженного им в 1929 г. «красного смещения» спектральных линий излучения от удаленных галактик.
v.Большой взрыв в «холодной» модели А.А.Фрид-мана и в «горячей» модели Г.А. Гамова			В 1922 г., найдя нестационарные решения гравитационного уравнения А. Эйнштейна, А.А. Фридман предложил геометрические модели нестациолнарной вселенной, в рамках которых возникло предположение о начальном взрывном процессе. В 1948 г. Г.А. Гамов добавил к «холодному» взрыву очень плотной материи представление, что «первичное вещество» мира было не только очень плотным, но и очень горячим.	Теория «горячей Вселенной» в сочетании с теорией Большого взрыва была подтверждена экспериментально обнаруженным в 1965 г. А. Пензиасом и Р. Вильсоном реликтового, т.е. рассеянного космического электромагнитного излучения с температурой близкой к предсказанной Г.А. Гамовым, 2,7К.	млрд. лет
v Эпоха Планка в модели гипомира, т.е. частиц (пузырьков) – планкеонов со следующими характеристиками: м, с, кг/м3.	10-43 с	1032 К	Наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с плотностью около 1096кг/м3. При большей плотности возникают огромные флуктуации, не позволяющие описать как сингулярность, так и то, что было до нее.	Постоянство четырех фундаментальных констант: G, c, , kБ, На основе соответствующих фундаментальных физических констант зачастую задается и физическое обоснование сильного антропного принципа. Возможно в эту эпоху существовало единое, целостное фундаментальное взаимодействие.
v Эпоха экспоненциального расширения Вселенной с ускорением. Эпоха Большой Космической инфляции	От 10-43 до 10-35 с	От 1032 до 1028 К	Возникает расширение Вселенной в раз. Используется новая теория инфляционной космологии, в которой, в частности, плотность темной материи играет роль космологического члена в гравитационном уравнении А. Эйнштейна.	В это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий, и одно из объяснений экспоненциального расширения Вселенной – включение антигравитации темной энергии. Подтверждена измерением анизатропии реликтового излучения.
v Эпоха бариогенеза и адронов	От 10-35 до 10-5 с	От 1028 до 1014 К	Рождение и аннигиляция кварк-антикварковых пар: ~10-9. Считается, что различие между материей и антиматерией во взаимодействии частиц наблюдалось только для кварков и антикварков. Затем произошел следующий фазовый переход, называемый бариогенезом, т.е. объединение кварков и глюонов в барионы, такие как протоны и нейтроны. Рождались и другие адроны – гипероны и мезоны. И все-таки в механизме возникновения асимметрии вещества и антивещества еще достаточно много парадоксов и загадок.	Кварко-глюонная плазма фиксируется как вакуумная подсистема с характерными размерами 10-15 м уже в экспериментах на БАКе при энергиях порядка 7 ТэВ, т.е. при температурах порядка 1017 К. На БАКе также обнаружен бозон Хиггса, но с несколько искаженными по отношению к теории параметрами. Появление «лишних» нуклонов, ответственных за асимметрию между материей и антиматерией, связывают также с асимметрией распада бозона Хиггса и соответствующего ему антибозона. Ученые надеются, что, включив всю энергию БАКа (14 ТэВ), удастся исследовать подсистему с характерными размерами 10-18 м, т.е. более обоснованно экспериментально исследовать бозон Хиггса, а возможно, и темную материю.
v Эпоха лептонов	От 10-6 до 1с	От 1014 до 1011 К	Аннигиляция лептонно-антилептонных пар; как в кипящем котле во вселенной непрерывно рождались и исчезали адроны, лептоны и кванты фундаментальных взаимодействий. Появление реликтовых нейтрино. Происходило взаимопревращение элементарных частиц.	Экспериментально подтверждено открытием в 1967 г. нейтральных токов на синхротронном ускорителе в Церне и созданием С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и А. Саламом теории электрослабого взаимодействия. Взаимопревращение частиц наблюдалось прежде всего при и распадах.
v Эпоха термоядерных реакций	От 1 с до 3 мин	От 1011 до 109 К	Возникают термоядерные реакции с участием протонов и нейтронов : ; ; . Возникают примеси легких элементов, которые измерены путем наблюдения реликтового излучения. Становление первоначального химического состава вселенной: ядер водорода – 70%, ядер гелия () – 30% + плазма.
v Эпоха перехода плазма-газ и становления прозрачной Вселенной	3×105 лет (300 тыс лет)	3×103 К	Возникновение газа в основном атомарного водорода из электронно-протонной плазмы, а также за счет рекомбинации электронов и ядер. Начинает доминировать вещество, состоящее из нейтральных атомов – водорода, дейтерия и гелия с небольшой примесью молекул водорода; отделение излучения от вещества.
v Этап формирования галактик, в том числе и нашей Галактики, включающий в себя следующие события: а) начало образования галактик; б) галактики начинают образовывать скопления; в) сжатие нашей протогалактики г) образование звезд.	От 1 млрд лет до 4 млрд лет		Создание неустойчивой относительно флуктуаций плотности за счет гравитационного взаимодействия в неравновесной смеси из нейтральных атомов и фотонов. Гравитационному коллапсу (полному сжатию) препятствует вращение и внутреннее давление, причем до отделения излучения от вещества силы давления излучения превышали гравитационные. По современным представлениям, центральными объектами структуры Вселенной являются галактики, масса которых эквивалентна в среднем 100 млрд. масс Солнца. К числу таких объектов относится и наша Галактика – Млечный путь. По своим свойствам и форме большинство галактик можно разделить на два типа: спиральные и эллиптические.	Критический размер и масса объекта, для которого обе силы (гравитации и давления) уравновешиваются, называются длиной и массой Джинса (по имени ученого Дж. Х. Джинса (1877-1984)). Если исходный размер тела превосходит длину Джинса, то, в конце концов должна наблюдаться его фрагментация. Если же этот размер меньше длины Джинса, то объект должен коллапсировать как целое. Образование иерархической структуры Вселенной – галактик, их скоплений с одной стороны, и звезд, шаровых скоплений, планет и т.п., с другой – обусловлено флуктуациями плотности остывающего однородного шара, имеющими различную природу.	От 12,7 млрд лет до 9,7 млрд. лет
v Этап образования Солнечной системы	9,1 млрд лет	2,7К	Формирование галактик сопровождалось возникновением и эволюцией звезд, среди которых наше Солнце – относительно молодая звезда как по возрасту, так и по времени рождения. При этом «старые» звезды сыграли огромную роль в происхождении химических элементов за счет термоядерных реакций, взрывов красных гигантов и «сверхновых» звезд.	4,6 млрд лет

Представляет очевидный интерес предсказание эволюции нашей Вселенной, Галактики – Млечный путь, Солнца и Земли в будущем.

Что касается Вселенной, то очень часто такие оценки делают на основании закона Хаббла: , где - постоянная Хаббла, - расстояние между галактиками, - скорость «разбегания» галактик.

Вычислим энергию некоторой галактики, имеющей массу , которая находится на расстоянии от «наблюдателя» (см. рис. 7.1). Энергия этой галактики складывается из кинетической энергии и потенциальной энергии , которая связана с гравитационным взаимодействием галактики с веществом массы , находящимся внутри шара радиуса . Выразим массу через плотность , и, учитывая закон Хаббла, запишем выражение для энергии галактики:

(1)

Из этого выражения найдем , т.е. такое значение плотности при котором , т.е. вселенная не расширяется, как при , и не сжимается, как при . Подставив в выражение (1) известные значения (км/с)/10⁶ световых лет и м²/кг×с², получаем значение критической плотности кг/м³. Самое удивительное, что с учетом плотностей видимой материи 10^-34кг/м³, а также плотностей темной материи и темной энергии, мы получаем значение кг/м³, т.е. совпадающее с критической плотностью . Более того, ряд ученых считает, что плотность материи всегда была равна .

В процессе эволюции Вселенной особая роль принадлежит плотности темной энергии, которая играет роль космологической постоянной в гравитационном уравнении Эйнштейна, задавая, как стало ясно, совместно с темной материей определенную стабильность (статичность) галактик, в том числе и нашей галактики – Млечный путь. Так темная материя, благодаря своей гравитации способствует современному положению галактик, а самое главное, и галактических объектов.

Темная энергия усиливает темп расширения Вселенной за счет антигравитации, но одновременно являясь алгебраической суммой энергий всех вакуумных подсистем, очевидно, не изменяет своей плотности, т.е. антигравитация препятствует изменению объема (гравитационному коллапсу) физического вакуума. Методом астрономических наблюдений изучалось влияние темной энергии на движение галактик и их скоплений. Обнаружена удивительная корреляция между плотностью темной энергии (энергией вакуума) и видимой материей в мире. Если бы Вселенная продолжала очень быстро расширяться как в эпоху Большой Космической инфляции, когда, по мнению ряда ученых, произошло отделение антигравитации, т.е. получила простор темная энергия, то галактики, звезды и планеты не успели бы сформироваться. Вещество такой Вселенной находилось бы в состоянии разряженного газа, и человеку места в ней не было бы.

Если бы не произошел наблюдаемый в наше время переход от замедленного расширения к ускоренному, то мы получили бы космос, состоящий не из звезд и планет, а из одних черных дыр. В такой Вселенной человек тоже не мог бы существовать.

На данном этапе расширения Вселенной с ускорением, нашей Галактике – Млечный путь - ничто не угрожает, ее стабильность обеспечивает темная материя. Единственное, что представляется возможным в диапазоне десятков миллиардов лет, это столкновение нашей Галактики и Галактикой Андромеды. Последующие самые экзотические сценарии эволюции нашей Вселенной настолько удалены по времени, что они представляют исключительно научный, но не утилитарно-практический интерес.

Нас же в практическом плане должна интересовать эволюция Солнца (см. схему 51.) и связанная с ней эволюция всей Солнечной системы, которой предстоит еще долгий стабильный период не менее 3-4,5 млрд. лет.

Человек же уже достиг «успехов» в своем антропно-экологическом влиянии на эволюцию Земли, к геологической эволюции которой, в рамках изучения ее структурных уровней мы переходим.