Как устроена Вселенная. Часть II.
Источник –
Если бы звезды были видны только с одного места Земли
туда бы стекались больше паломников, чем куда-либо
Римский философ Сенека.
О точке сингулярности.
Согласно общей торий относительности (Вот), на которой основаны решения Фридмана, Вселенная могла иметь особенную точку – сингулярную. Сингулярность от лат singularis – отдельный, особенный. Но был неясный: выходит ли из Вот, что у Вселенной должно было быть начало времени – большой взрыв?
Началом ответа на этот вопрос можно считать работу английского физика и математика Рождера Пенроуза, опубликованную в 1965 году.
Ему удалось математически доказать, что при сжатии звезды под действием собственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверхность которой сжимается к нулю. А раз поверхность этой области сжимается к нулю, то же происходит и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в нулевом объеме, так что ее плотность и кривизна пространства-времени станут бесконечными. Другими словами, возникнет сингулярность в какой-то области пространства- времени, которую назвали "черной дырой" {1}.
Теорема Пенроуза относилась к звездам, и в ней ничего не говорилось о том, испытал ли Вселенную в прошлом большой взрыв? Если большой взрыв был, то должно быть и начало времени!
За решение этого вопроса взялся Стивен Хокинг. Он применил теорему Пенроуза по отношению ко всей Вселенной, изменив направление времени на обратное, так, чтобы сжатие перешло в расширение. По теореме Пероуза конечным состоянием любой коллапсирующей звезды должна была стать сингулярность. При обращении времени эта теорема утверждает, что в модели Фридмана начальным состоянием Вселенной, которая расширяется, тоже должен быть сингулярность. Хокинг вел в теорему Пенроуза как условие требование, чтобы Вселенная была бесконечной в пространстве. Ему необходимо было доказать, что сингулярность должна существовать при условии, что Вселенная расширяется достаточно быстро, чтобы не началось повторное сжатие.
Последующую работу Хокинг и Пенроуз продлили совместно. В 1970 году они, выходя из общей теории относительности, доказали, что у Вселенной должна была быть сингулярная точка, и, следовательно, было начало времени. Из их доказательства выходило, что Вот является неполной теорией, поскольку в ней нет ответа на вопрос: как возникла Вселенная, потому что все физические теории, и она сама нарушаются в точке возникновения Вселенной {2}.
Предусмотрев наличие точки сингулярности, в которой плотность становится бесконечной (в случае черных дыр и в случае большого взрыва), Вот сама предрекла свое поражение.
Следовательно, теория подтвердила наличие большого взрыва, в результате которого возникла наша Вселенная.
В 1930-ые годы среди ученых рассматривалась модель холодной Вселенной, в которой вещество существовало в виде холодных нейтронов. Однако, как выяснилось позже, в такой Вселенной в результате цепочки ядерных реакций (с образованием протона, дейтерия, и т. д.) все вещество, в конце концов, превратилось бы в гелий. Это противоречит наблюдением, поскольку подавляющая часть вещества Вселенной состоит из водорода.
Горячая Вселенная Гамова.
В 1948 году российский ученый Георгий Гамов предложил модель горячее Вселенной, расширив идею Фридмана о том, что первичное вещество было не только очень плотным, но и очень горячим {3}.
Учитывая, что Вселенная, которая расширяется, продолжает охлаждаться, можно экстраполировать ее температуру обратно во времени. Это и было сделано. Оказалось, что в момент взрыва Вселенная была бесконечно плотной и горячее, в виде огненной пули.
Нужно сказать, что Георгий Гамов, выдающийся российский физик и астрофизик, который сотрудничал с Эйнштейном, Дираком, Ландау, в 1933 году эмигрировал в США, из-за чего был лишен звание академика АНСССР и все других регалий. Даже в научных работах его имя было запрещено и на его работы нельзя было ссылаться. После перестройки запрещения по поводу Гамова были сняты, и все научные регалии ему возвращенные, но посмертно.
Идея горячее Вселенной Гамова заключалась в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходят ядерные реакции, и в этом ядерном казане за несколько минут синтезируются все химические элементы. Это не совсем так, потому что, как выяснилось позже, в этом ядерном казане синтезируются только легкие элементы, а элементы тяжелее гелия синтезируются в звездах.
По мнению Гамова, вещество огненной пули было однородной горячей плазмой, которая заключается, в основном, из электронов и протонов, обильно перемешанных космическим излучением.
Действительно, при повышении температуры до нескольких сотен градусов распадаются молекулы, а при последующем ее росте постепенно разрушаются ядра. Эксперименты показали, что при температуре около 3000 градусов Кельвина электроны отрываются от ядер, которые приблизительно при миллиарде градусов распадаются на протоны и электроны (сборный, нуклоны). С приближением до триллиона градусов нуклоны разбиваются на свои элементарные составляющие – кварки.
Чтобы понять состав огненной пули, нужно знать, что происходит при высокоэнергичных столкновениях частиц. Именно с этой целью создаются ускорители элементарных частиц – коллайдери. В коллайдерах частицы, направленные друг навстречу другу, разгоняются почти до скоростей, близких к скорости света и при столкновениях возникают необычные явления. Например, две частицы при столкновениях изменяют свой тип, и могут породить целый фейерверк из десятка новых части, которые разлетаются из точки столкновения. Прекрасное подтверждение того, что энергия и масса взаимообратими {4}.
Что-то подобное, по мнению исследователей, происходило и в первые доли секунды после большого взрыва. У ранней Вселенной частицы беспрестанно сталкиваются друг с другом, и огненная пуля наполняется всеми типами частиц, которые только могут быть созданы в этих столкновениях.
Сегодня в Большом Адроном Коллайдере (БАК) под Женевой в результате столкновения встречных потоков протонов получено состояние праматери–легкая кварк-глюонная плазма, которая, по мнению исследователей, отвечает состоянию Вселенной через10-34 секунды после большого взрыва. Ученые почти приблизились к эпицентру акта творения.
Это безмассовое состояние праматери ученые надеются наделить массой. Это состоится, если удастся получить протоны и электроны. Пока это не состоялось, хотя за счет столкновения ионов свинца исследователи сумели получить состояние Вселенной через 10-11 секунд после Большого взрыва, то есть намного позже. Это - безмассовая тяжелая кварк-глюонная плазма. Но материи пока нет.
Обратите внимание, о каких никудышно малых промежутках времени идет речь. Дело в том, что формирование Вселенной и происходило за малые промежутки времени. Все главнее всего заключается в первую секунду.
И этот чрезвычайно малый промежуток времени, за которое, в основном, была сформирована наша Вселенная, ученые условно разбили на так называемые "эпохи".
Продолжение статьи
Литература:
1 Тихоплав Ст. Ю., Тихоплав Т. С.
2 ХОКИНГС., Пенроуз Р. Природа пространству и времени. Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2000
3 Эйнштейн А. Сборник научных трудов. Т. I-IV Наука, 1966.
4 Астафьев Б. А. Основи Вселенной. М Бели альви, 2002.
5 Хайш Б. Теория Бога. Доказательство существования Бога в современной науке. М ООО Издательство "София",2010.