Свойства материи. Пространство и энергия

4.1. Что такое симметрия, и как изменяется степень симметричности геометрических фигур?

Понятие симметрии широко используется при описании материальных объектов. В самом общем смысле под симметрией понимают ИНВАРИАНТНОСТЬ (неизменность) свойств материального объекта по отношению к каким–либо преобразованиям над ним.

Наиболее простым примером является геометрическая симметрия – свойство объекта совпадать со своим изображением при повороте на некоторый угол вокруг своей оси. Чем меньше величина угла поворота, тем выше степень симметрии. Рассмотрим понятие симметрии на примере объёмных геометрических фигур: шара, куба, параллелепипеда, пирамиды.

Рис. 3. Убывание степени симметрии в ряду: шар, куб, параллелепипед, пирамида

Шар обладает наивысшей степенью симметрии, т.к. его поверхность состоит из множества точек, равноудаленных от центра. Для совмещения с собственным изображением достаточно повернуть шар вокруг своей оси на произвольный бесконечно малый угол в любой из плоскостей.

Куб совмещается с собственным изображением при повороте на 90 градусов, а параллелепипед – на 180 градусов в любой из трёх плоскостей. Наконец, пирамида обладает симметрией только в одной (горизонтальной) плоскости.

4.2. Что такое хиральность? Каково значение этого явления в биологических системах?

ХИРАЛЬНОСТЬ (от греч. hyros – «рука») – свойство объекта не совпадать со своим зеркальным отображением. Объекты, совпадающие со своим зеркальным отображением, называют зеркально симметричными, или ахиральными (резьба болтов, рука человека). Зеркальную асимметрию могут проявлять не только предметы, но и процессы (например, химические реакции).

Из повседневного опыта легко сделать вывод, что человек обладает структурной хиральностью: сердце находится слева, а печень – справа. Кроме того, имеется и функциональная хиральность: люди делятся на «правшей» и «левшей».

Молекулы также могут обладать хиральностью. Например, оказалось, что существует два типа кристаллов соли винной кислоты, каждый из которых является зеркальным отображением другого. Если приготовить растворы из этих кристаллов, то оказывается, что один из растворов вращает плоскость поляризации света по часовой стрелке, а другой – в обратном направлении. Появилось предположение, что существует два вида молекул соли – так называемые «правые» (D, лат. – dextro) и «левые» (L – levo) изомеры.

Живые организмы не обладают зеркальной симметрией: в них преобладают правые либо левые молекулы-изомеры. Кроме вращения плоскости поляризации света, оптические изомеры можно различить и по другим свойствам. Например, один из изомеров лимонена обладает запахом лимона, а другой – апельсина.

У основных аминокислот (п. 8.3), из которых состоят белки (кроме глицина) существуют L- и D-изомеры. Однако белки за редким исключением построены исключительно из L-аминокислот.

В нуклеиновых кислотах присутствует только правый изомер сахара и, как правило, ДНК и РНК образуют правую спираль.

Почему в живой природе ахиральность проявляется в столь существенном масштабе? На каком этапе химической эволюции от неживого к живому появилась и закрепилась хиральная «чистота» биомолекул? Зеркально симметричные химические реакции могут приводить к образованию неравных количеств L- и D- аминокислот благодаря явлению, которое называют спонтанным нарушением симметрии – самопроизвольным переходом из симметричного состояния в асимметричное. При некоторых реакциях может происходить синтез изомеров только какого-то одного типа.

4.3. Что означали понятия изотропности и однородности пространства в классическом естествознании?

ИЗОТРОПНОСТЬ пространства означает его симметрию и сохранение действенности физических законов ПРИ ПОВОРОТЕ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ НА НЕКОТОРЫЙ УГОЛ, другими словами – независимость свойств пространства от направления.

ОДНОРОДНОСТЬ пространства означает его симметрию и неизменность физических законов в условиях СДВИГА СИСТЕМЫ КООРДИНАТ, другими словами – равенство свойств пространства во всех точках.

Однородности пространства соответствует ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ИМПУЛЬСА: в изолированной системе сумма импульсов тел постоянна (импульс – произведение массы на скорость).

åp_i = åm_iv_i = const

Однородности времени соответствует ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ (сумма энергии всех видов в изолированной системе постоянна):

åЕ_i = const

Частным случаем закона сохранения энергии является ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ: теплота DQ, сообщённая системе, расходуется на увеличение её внутренней энергии DU и на совершение механической работы pDV (см. также второй закон термодинамики – п. 4.9):

DQ = DU + pDV

В природе известны предметы, которым не свойственна изотропность (такие системы называются анизотропными). Например, в физике рассматривается АНИЗОТРОПИЯ кристалла турмалина. Если вращать кристалл при направлении на него поляризованного света, то оказывается, что свет способен проходить насквозь только при некотором угле поворота кристалла вокруг своей оси.

4.4. В чём состоит сущность теории фракталов?

Геометрию нерегулярных, но самоподобных (повторяющихся) структур, содержащих элемент случайности, описывают с использованием понятия дробной размерности. Такие объекты были названы фракталами (англ. fraction – «дробь», от лат. fractalis – «расколотый»). Этот термин закрепился в науке сравнительно недавно, в конце ХХ века; его автором является математик Б. Мандельброт.

Согласно классическим представлениям, в повседневной практике мы имеем дело с целочисленными системами координат – одномерной (прямолинейной), двухмерной (плоской) и трёхмерной. Но объекты элементарной геометрии (прямые, окружности) не свойственны окружающим нас макрообъектам, поскольку их структура чаще всего принимает ветвящиеся, неправильные формы. Примерами является движение вихрей краски при растворении в воде или форма линий молнии в атмосфере. Для описания таких объектов теория фракталов вводит нецелочисленное количество измерений.

Фракталы – это объекты, проявляющие по мере увеличения все большее число деталей, совмещающие изломанность и самоподобие. Фрактальность – мера неправильности. Например, чем больше изгибов и поворотов имеет река, тем больше ее фрактальное число.

Дробную размерность фрактальных структур удаётся подтверждать экспериментально. Пример – движение подкрашенной воды в тонком прозрачном слое вязкой жидкости. Вода распространяется, образуя ветвящиеся радиальные узоры, и площадь прожилок растет по степенному закону как функция радиуса с показателем 1,7.

Физические системы с фрактальной структурой обладают уникальными свойствами. Фракталы иначе рассеивают электромагнитное излучение, по-другому колеблются и звучат, иначе проводят электричество. Способы описания пространства и объектов в пространстве на основе теории фракталов продолжают развиваться.

4.5. Какие существуют видыфундаментальных взаимодействий в природе, и какие частицы являются переносчиками этих взаимодействий?

Выделяют четыре вида фундаментальных взаимодействий: ГРАВИТАЦИОННОЕ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ, СЛАБОЕ, СИЛЬНОЕ.

Считается, что механизм взаимодействий во всех случаях происходит путём обмена частицами – переносчиками взаимодействий. К настоящему времени число известных элементарных частиц достигает трёх сотен. К объектам микромира применяется следующая классификация:

Элементарные частицы / \
1. Фермионы (составляют вещество) / \	2. Бозоны (участвуют в передаче фундаментальных взаимодействий)
Лептоны (существуют в свободном состоянии)	Кварки (существуют только в связанном состоянии – в виде адронов)

К ЛЕПТОНАМ ОТНОСЯТСЯ: электронное нейтрино (n_e), электрон (e^–), мюонное нейтрино (n_m), мюон (m^–), тау-нейтрино (n_t), тау-лептон (t^–). К АДРОНАМ ОТНОСЯТСЯ протон (р⁺) и нейтрон (n⁰).

Классификация фундаментальных взаимодействий и их переносчиков приводится ниже. Каждое из них характеризуется своими КОНСТАНТАМИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ – величинами, которые являются неизменными в масштабе всей Вселенной и обеспечивают стабильное существование всего материального мира. Фундаментальными константами в физике являются скорость света в вакууме и постоянная Планка (Приложение 3).

При выражении констант взаимодействия, показывающих их относительную силу, за единицу принято сильное взаимодействие.

Таблица 1

Виды фундаментальных взаимодействий и их частицы–переносчики

Вид взаимодействия	Радиус действия	Константа взаимодействия	Частицы-переносчики	Масса покоя
Электромагнитное	∞	6·10–39	фотоны
Гравитационное	∞	1/137	гравитоны
Слабое (отвечает за распад элементарных частиц)	До 10–19 м	10–14	векторные бозоны	>0
Сильное (отвечает за устойчивость атомных ядер)	До 10–16 м		глюоны

4.6. В чём состоит сущность концепции близкодействия и концепции дальнодействия?

Одним из самых спорных вопросов в физике и в естественных науках вообще являлся вопрос о механизме передачи взаимодействий в материальном мире. Два принципиально разных подхода к решению этого вопроса описываются концепциями близкодействия и дальнодействия.

Согласно КОНЦЕПЦИИ БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ, взаимодействие между телами:

1. требует наличия материальных посредников;

2. имеет конечную скорость распространения.

В рамках этой концепции взаимодействие осуществляется с помощью полей, непрерывно распределенных в пространстве. Например, всемирное тяготение осуществляется гравитационным полем.

Согласно КОНЦЕПЦИИ ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ:

1. Взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает никакого участия в передаче взаимодействия.

2. При этом передача взаимодействия происходит мгновенно.

Например, считалось, что перемещение Земли должно сразу приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну.

4.7. Какими основными характеристиками обладают элементарные частицы?

Элементарные частицы – специфические объекты микромира, их невозможно наблюдать непосредственно с помощью микроскопа, т.к. размеры этих объектов значительно меньше длины волны видимого света. Но об их существовании можно судить по их физическим свойствам – например, по поведению в электромагнитном поле. Для ИДЕНТИФИКАЦИИ (однозначного определения) этих частиц используется ряд характеристик, а именно:

1. МАССА ЧАСТИЦЫ. Различают массу покоя (m₀) и массу движущейся частицы (т.н. релятивистскую массу, вытекающую из специальной теории относительности – см. п. 6.4). Массы покоя некоторых частиц приводятся в Приложении 2. Существуют частицы с нулевой массой покоя, например, фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия.

2. ЗАРЯД ЧАСТИЦЫ (знак и величина). Заряд выражается в единицах элементарного заряда (см. Приложение 3). Элементарные частицы имеют целочисленный заряд, а кварки (гипотетические субэлементарные частицы) – дробный.

3. ВРЕМЯ ЖИЗНИ. Различают частицы стабильные (существующие неограниченно долго) и нестабильные. Время жизни последних может достигать миллионных долей секунды. На время жизни частицы могут влиять внешние условия. Например, у свободного нейтрона оно ограничено, но в составе атомного ядра нейтрон становится стабильным (см. п. 5.3).

4. КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА. Это особые параметры, связанные с двойственной природой объектов микромира – с явлением корпускулярно–волнового дуализма (п. 6.6). Квантовые числа являются результатами решения уравнений квантовой механики и принимают дискретные (фиксированные) наборы значений. Например, электроны в составе атома описываются набором из четырёх квантовых чисел:

· главного (соответствующего порядковому номеру энергетического уровня);

· орбитального (соответствующего типу орбитали, т.е. форме движения электрона);

· магнитного (соответствующего ориентации орбитали в пространстве);

· спинового (от англ. spin – «вращаться», характеристика собственного вращательного момента микрочастицы, указывающая на одно из двух возможных направлений вращения вокруг своей оси, условно – «влево» и «вправо»).

Для объектов микромира характерно явление симметрии – зарядовой (электрической) и спиновой (магнитной). Частицы, различающиеся только знаком заряда и магнитного момента, но полностью идентичные по всем остальным характеристикам, называются АНТИЧАСТИЦАМИ. Типичным примером является пара электрон (е^–) – позитрон (е⁺). При столкновении частицы с античастицей происходит их взаимная АННИГИЛЯЦИЯ (уничтожение) с выделением двух квантов электромагнитного излучения (фотонов) Аннигиляцию можно понимать как процесс перехода массы в энергию:

e⁺ + e ^– ® g + g

4.8. Какова природа электромагнитного излучения? Какими свойствами оно обладает? Что представляет собой спектр электромагнитного излучения?

Электромагнитное излучение (ЭМИ) – это наблюдаемое проявление одного из четырёх типов фундаментальных взаимодействий (п. 4.5). Именно ЭМИ ответственно за многообразие окружающего материального мира. Человек в повседневной жизни постоянно имеет дело с разными проявлениями ЭМИ – воспринимая своими глазами видимый свет, ощущая тепло от горячих предметов, получая солнечный загар, пользуясь разнообразными радиотехническими средствами (телефон, телевизор, радиоприёмник и т.д.), прибегая к помощи рентгеновских снимков и т.д.

По своей природе ЭМИ – поперечные гармонические колебания (Рис. 4). Векторы напряжённости электрического поля Ē и магнитного полей Ħ изменяются во времени по синусоидальной зависимости; они взаимно перпендикулярны друг другу и направлению движения волны х.

ЭМИ характеризуется константами:

· скоростью распространения в вакууме с;

· диэлектрической постоянной e₀;

· магнитной постоянной m₀.

Значения этих констант приводятся в Приложении 2.

Кроме того, любая проводящая среда (воздух, вода, масло и т.д.) характеризуется диэлектрической проницаемостью e и магнитной проницаемостью m. Для вакуума (а при решении практических задач – часто и для воздуха) значения e и m принимаются равными единице.

Существует единица элементарного электрического заряда (Приложение 3), но при этом не существует понятия об элементарном магнитном заряде. Закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов установил в 1785 г. Ш. Кулон. Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные раз­меры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряжен­ных тел, с которыми он взаимодействует.

Согласно закону Кулона, сила взаимодействия F между двумя неподвижными точечными между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам Q₁ и Q₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними. Такое взаимодействие иначе называется электростатическим. Современная запись закона Кулона имеет вид:

Подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, так и в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды.

Рис. 4. Схема распространения электромагнитного излучения

ЭМИ обладает двуединой сущностью. В зависимости от внешних условий и способа наблюдения могут проявляться свойства либо электрической, либо магнитной природы. Электрическое и магнитное поля существуют неотрывно друг от друга и переносят равные количества энергии. Объёмная плотность энергии электрического и магнитного поля при этом составляет соответственно:

w_э = e₀ e Е² / 2;

w_м = m₀ m Н² / 2

Основными характеристиками ЭМИ являются частота излучения n и длина волны l, связанные друг с другом простым соотношением:

l = с/n

Последовательное изменение значений n и l образует спектр ЭМИ (Табл. 2). Кратные и дробные десятичные приставки, используемые для выражения физических величин приводятся в Приложении 3.

Таблица 2

Спектр электромагнитного излучения

Название диапазона	Длина волны l	Частота n
1. Радиоволны
Сверхдлинные (СДВ)	> 10 км	< 30 кГц
Длинные (ДВ)	10 … 1 км	30 … 300 кГц
Средние (СВ)	100 м … 1 км	300 кГц … 3 МГц
Короткие (КВ)	100 … 10 м	3 МГц … 30 МГц
Ультракороткие (УКВ)	10 м … 2 мм	30 МГц … 150 ГГц
2. Оптическое излучение
Инфракрасное (ИК)	2 мм … 760 нм	150 ГГц … 42,9 ТГц
Видимое	760 … 400 нм	42,9 … 75,0 ТГц
Ультрафиолетовое (УФ)	5×10–3 … 400 нм	75,0 ТГц … 3×1016 Гц
3. Ионизирующее излучение
Рентгеновское	10–5 … 5×10–3 нм	3×1016 … 6×1019 Гц
Гамма-излучение	< 5×10–3 нм	> 6×1019 Гц

Электромагнитные волны могут возбуждаться различными источниками – заряженными частицами, атомами, молекулами, антеннами, космическими объектами и пр. В зависимости от длины волны различают гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное (тепловое) излучение, радиоволны и низкочастотные электромагнитные колебания.

4.9. Что такое энтропия? Каков физический смысл второго закона термодинамики?

Второй закон термодинамики вводит новую, принципиально важную величину – энтропию (S). Данное понятие обозначает меру беспорядка в системе, или меру «обесцененной» энергии. Его в 1865 г. ввёл немецкий физик Р. Клаузиус, основоположник классической термодинамики.

Математически энтропия представляется величиной, большей или равной отношению некоторой приведенной теплоты к абсолютной температуре:

S ≥ δQ / Т

Энтропия имеет ту же размерность, что и универсальная газовая постоянная (Приложение 3).

Термодинамика описывает состояния, обусловленные хаотичным тепловым движением частиц, т.е. она является статистической теорией (см. п. 2.5). Наряду с термодинамическим определением энтропии используется и её статистическая (вероятностная) интерпретация:

S = k · ln P,

где P – число элементарных микроскопических состояний системы, k – постоянная Больцмана (см. Приложение 3). Другими словами, чем больше число возможных состояний системы, тем выше её энтропия.

Простейшая модель, иллюстрирующая понятие термодинамического состояния – игральный кубик. Он имеет 6 граней – соответственно, его подбрасывание может дать один из шести результатов (1, 2, 3, 4, 5, 6). Т.е., число возможных состояний равно шести.

Внутренний смысл энтропии раскрывается в формулировках второго закона термодинамики. Их существует несколько, например:

1. Невозможно осуществить работу за счет энергии тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия.

2. Невозможна передача энергии от более холодного тела к более горячему.

3. Термодинамические процессы необратимы, а предоставленная самой себе система стремится к состоянию теплового равновесия, в котором температуры тел выравниваются.

4. Энтропия незамкнутой системы возрастает, а ее максимальное значение достигается в состоянии теплового равновесия.

5. Энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле температуры (–273,15°С) также устремляется к нулю.

6. Абсолютного нуля температуры достичь невозможно.

Нетрудно увидеть, что, например, формулировка №6 напрямую вытекает из формулировки №2.

Являясь мерой хаотического движения частиц, энтропия вещества растёт с увеличением температуры (Рис. 5). Она СКАЧКООБРАЗНО ВОЗРАСТАЕТ при переходе от твёрдого агрегатного состояния вещества к жидкому и от жидкого к газообразному. На графике это прослеживается в виде вертикальных участков, которые соответствуют температурам плавления и кипения.

Рис. 5. Изменение энтропии вещества (S) при повышении температуры

Понятие энтропии как меры хаоса или неопределённости находит применение не только в физике. Например, в информатике энтропия – это мера неопределённости (недостаточности) знаний об объекте.

4.10. Что такое негэнтропия?

В простом понимании НЕГЭНТРОПИЯ (как антоним энтропии – п. 4.9) – ДВИЖЕНИЕ К УПОРЯДОЧИВАНИЮ, к организации системы. Негэнтропия рассматривается только во взаимосвязи с энтропией.

В 1943 г. Э. Шредингер предложил понятие «отрицательной энтропии» в попытке развить идеи Н. Бора о глубокой связи физических и философских законов. Впоследствие термин «отрицательная энтропия» был заменён на термин «негэнтропия».

Согласно идее Шредингера, живая система экспортирует энтропию, чтобы поддержать свою собственную энтропию на низком уровне. При помощи термина «негэнтропия» эта идея видоизменилась: живая система импортирует негэнтропию для самосохранения. Живыми называются такие системы, которые способны самостоятельно поддерживать и увеличивать свою высокую степень упорядоченности в среде с меньшей степенью упорядоченности. Это – процессы с отрицательной энтропией (негэнтропийные процессы); они протекают с формальным нарушением второго закона термодинамики.

Различают информационный и физический (энергетический) подход к пониманию негэнтропии. Препятствием для универсализации термина «негэнтропия» являлась неопределимость (первичность) понятия «энергия» (п. 1.6). В связи с этим информационная и энергетическая негэнтропия оказываются разнородными понятиями, зависимыми от контекстов, в которых они используются.

4.11. Что изучает космология? Как устроена наша галактика?

Космология – наука о происхождении и эволюции объектов макромира (планет, звёзд, галактик). Знания о пространстве и времени нельзя считать полными, если не рассматривать пространство как всю Вселенную, а время – как историю ее эволюции. Описание структуры Вселенной состоит в представлении о том, что в основном это пустое пространство (или по современной терминологии – физический вакуум). Большая часть излучающего вещества сосредоточена в звездах.

Солнце с Землей и другими планетами Солнечной системы, видные невооружённым глазом звезды и большинство звезд, наблюдаемых с помощью телескопов, составляют огромную звёздную систему – нашу Галактику. Она насчитывает не менее 100миллиардов звезд различных типов. Общая их масса составляет величину порядка 10¹¹ масс Солнца. Кроме того, в Галактике есть межзвёздная пыль и газ, масса которых достигает 5% от массы всех звезд.

Земной наблюдатель видит Галактику в виде Млечного пути. Солнце и его планеты находятся внутри основания Галактики, имеющего форму линзы (Рис. 5) размером до 100 тыс. световых лет (см. Приложение 3) в поперечнике и толщиной до 12 тыс. св. лет в центральной части.

Ближайшие к нам галактики – Большие и Малые Магеллановы облака (расстояние от Земли – 76 тыс. и 83 тыс. св. лет соответственно). Ещё одна видимая невооружённым глазом галактика – туманность Аидромеды, удаленная на 1,5 млн. св. лет. Но и такие гигантские по нашим представлениям космические образования являются лишь малыми частями Вселенной. С помощью мощных телескопов можно наблюдать и гораздо более удаленные галактики, свет от которых проходит миллиарды лет.

Совокупность галактик всех типов образуют МЕТАГАЛАКТИКУ. Под Метагалактикой в космологии понимают область окружающего пространства Вселенной, доступную для наблюдения. По мере перехода от отдельных галактик к системам более высокой степени организованности (группы скоплений, сверхскоплений и т.д.) пространственное распределение вещества во Вселенной оказывается все более равномерным. То есть, метагалактика представляется ОДНОРОДНОЙ В БОЛЬШИХ МАСШТАБАХ наблюдений (более 300…500 млн. св. лет).

В меньших масштабах вещество распределено очень неоднородно: звезды собраны в галактики, галактики – в скопления. Сформировалась ячеистая структура Вселенной. Размер этих ячеек составляет около 100...200 млн. световых лет. Сжатые облака, находящиеся на стенках ячеек – это места, где в дальнейшем образуются галактики.

Рис. 5. Схема строения нашей Галактики в поперечном разрезе. Обозначения: 1 – сферическая зона; 2 – диск; 3 – ядро; 4 – слой газопылевых облаков; 5 – корона. Точками показаны некоторые шаровые скопления [24]

Средняя плотность вещества по всем направлениям достигает величины одного порядка (7 × 10^–30 г/см³). Однородность Вселенной подтверждается ИЗОТРОПНОСТЬЮ (п. 4.3) реликтового излучения (см. ниже). Это особый тип космического излучения, в свойствах которого «записана» информация о процессах, протекавших во Вселенной ранее. Реликтовое излучение впервые экспериментально обнаружили американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вилсон (1965 г.).

4.12. В чём состоит сущность теории «Большого взрыва»?

В 1929 г. астроном Э. Хаббл установил, что большинство галактик удаляется от нас, причём скорость разбегания линейно связана с расстоянием до объекта (коэффициент пропорциональности получил название постоянной Хаббла – см. Приложение 3). Это было интерпретировано как всеобщее расширение Вселенной, начавшееся, по разным оценкам, от 12 до 16 млрд. лет назад.

В расширяющейся Вселенной средняя плотность вещества зависит от времени – в прошлом плотность была больше. Однако при расширении изменяется не только плотность, но и тепловая энергия вещества (газ при расширении остывает). Это навело учёных на мысль о том, что Вселенная на ранней стадии расширения была не только плотной, но и горячей. Доказательством данной гипотезы служит наблюдаемое остаточное (реликтовое) излучение, дошедшее до нас из далёкой эпохи, когда дозвёздную Вселенную заполнял горячий газ. Такую модель впервые предложили Г. Гамов, Р. Альфер и Р. Герман (1948 г.) на основе созданной ими первой теории горячего «Большого взрыва». Позже был воссоздан сценарий эволюции Вселенной, вытекающий из этой модели и условно разбитый на семь этапов:

1. Период времени от 0 до 10^–35 с – раздувающаяся (инфляционная) Вселенная. Ей соответствует температура 10²⁷ К, единый тип взаимодействий и новые элементарные частицы – скалярные Х-бозоны.

2. Период времени 10^–33 с. разделение кварков и лептонов на частицы и античастицы. Возникает асимметрия между числом частиц и античастиц. Таким образом, вещество во Вселенной преобладает над антивеществом.

3. Период времени 10^–10 c, температура 10¹⁵ K. Разделение сильного и слабого взаимодействий.

4. Период времени 10^–2 с – стандартная модель развития Вселенной. Число фотонов равно числу позитронов.

5. Период времени 1 секунда, температура 10¹⁰ К. Вселенная остыла. Остались только фотоны (кванты света), нейтрино и антинейтрино, электроны и позитроны и примесь нуклонов.

6. Период времени 3 минуты, температура 10⁹ К. Нуклоны участвуют в термоядерных реакциях: происходит синтез легких элементов (в основном ядра гелия), и в наибольшем количестве остается основной элемент Вселенной – водород.

7. Миллион лет спустя Вселенная остывает настолько, что электроны и ядра рекомбинируют, образуя нейтральные атомы водорода, которые составляют 70% всех атомов, гелия – 30%. Фотоны (кванты электромагнитного излучения – света) перестают взаимодействовать с веществом и остаются в виде фона – реликтового излучения. Сейчас температура реликтового излучения составляет 2,7 К.

Будет ли разлет галактик продолжаться всегда или расширение сменится сжатием? Для этого необходимо рассчитать, хватит ли сил гравитации остановить расширение (расширение идет по инерции, действуют лишь силы тяготения).

Наблюдения далеких вспышек сверхновых звезд указывают на присутствие во Вселенной космического вакуума, который создает поле антигравитации, вызывающее в свою очередь ускорение космологического расширения.