Эволюция космоса

Финальный этап синтеза точного естествознания – эффекты в первые мгновения рождения Вселенной.

Образование химических элементов и протоплазмы (восемь эпох эволюции протоплазмы)

Эпоха физического вакуума

.

Эра Планка, вероятно, ни пространство, ни время не обладали тогда определяемым значением и размерностью; отличалась высокой симметрией и вселенная представляла собой своего рода «пространственно-временную пену».

Эпоха «ухода вакуума»

.

Вселенная распалась на различные области, одна из которых имела пространственно-временную размерность d = 4. Метагалактика была наполнена однородной газообразной смесью – первичной материей, состоящей из кварков, электронов, нейтрино, фотонов, глюонов, Х-частиц с крайне высокой температурой (это по мнению многих – инфляционная фаза); коэффициент скорости расширения газового «шара» был ~10⁵⁰. Согласно модели расширения А.А.Фридмана расширение сопровождается остыванием, к концу этой эпохи температура опустилась до Т ~ 10²⁷ К.

Эта величина соответствует энергиям ~10²⁴ эВ и процессу распада Х-частиц, наша метагалактика появилась в результате первого нарушения симметрии, приводящее к разделению сильных и электрослабых взаимодействий.

Эпоха кварк-фотонного газа

После распада Х-частиц плотность кварков была на ~10^-8 % выше, чем плотность антикварков. С этих пор метагалактика вела себя как нормальный адиабатически расширяющийся газ (разработка этой термодинамической модели принадлежит Альферу, Бете и Гамову (1948 г)).

Адиабатическое расширение создает определенные временные рамки для эволюции метагалактики. Временная симметрия нарушается, и эволюция становится необратимым процессом. Нарушение симметрии обратимость Þ необратимость сделало второй закон термодинамики физическим фундаментом эволюции. К концу эпохи температура упала до уровня Т ~10¹⁶ К ~ 1000 ГэВ.

Нарушилась электрослабая симметрия: это привело к разделению слабых и электромагнитных сил.

Эпоха аннигиляции кварков .

К началу эпохи в первичном газе еще преобладали кварки и антикварки. Существуют шесть типов кварков, среди которых различают up – кварки и down – кварки. При уменьшении температуры до Т ~ 10¹³ К ~ 1 ГэВ возросла вероятность попарной аннигиляции кварков и антикварков с образованием q +Û 2g -  - квантов и q +Û e + - электронов и позитронов. При реакции аннигиляции высвобождается энергия связи  10¹² эВ.

В результате реакции аннигиляции «выжили» одна миллионная часть всех кварков, а антикварки исчезли, и симметрия между материей и антиматерией оказалась нарушена в сторону преобладания материи (в современном мире античастицы встречаются крайне редко).

Перечисленные эпохи эволюции Вселенной носят чисто теоретический характер на уровне гипотез.

Следующие этапам развития космоса имеют ссылки на экспериментальные исследования с энергией ниже 1 ГэВ.

Эпоха образования нуклонов .

Каждая тройка кварков, соединяясь, дает нуклон; образует особое связанное состояние («удержание кварков»).

Например, up-кварк и два down- кварка образуют нейтрон u + 2d Û n, а два up-кварка и один down- кварк – протон 2u + d Û p.

Поскольку энтальпия реакции (свободная энергия) для этих процессов составляет ~ 100 МэВ, происходит смещение равновесия вправо. Свободные кварки исчезают из метагалактики и к концу периода она уже состоит из нуклонов. Эта эпоха привела к нарушению симметрии, появились барионы и антибарионы, барионы достигли абсолютного господства в метагалактике.

Эпоха отделения нейтрино .

Физико-химический состав метагалактики в эту эпоху не претерпевал существенных изменений, однако температура снизилась до T ~ 10¹⁰ К ~ 1 МэВ.

Понижение плотности и температуры с этой эпохи можно изучать термодинамическим методом. Оценки для момента времени t = 1 с дают следующие средние плотности частиц – протонов, нуклонов и нейтрино:

n_g ~ 10³⁰ см^-3, n_n ~ 10²¹ см^-3, n_v ~ 10³⁰ см^-3.

Нейтрино не участвуют ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях, участвуют лишь в слабых и гравитационных, вследствие чего эти частицы обладают способностью проходить сквозь нормальную земную материю без взаимодействия. Нейтрино образуют практически независимый газ, полное термодинамическое равновесие нарушается; с тех пор метагалактика состоит из двух фактически независимых систем: нейтринного газа и остаточного газа, состоящего из фотонов, лептонов и барионов. Но существование нейтринного газа до сих пор не нашло убедительного экспериментального подтверждения.

Эпоха нарушения нейтронно-протонной и электронно-позитронной симметрии

.

При понижении температуры до и ниже T ~ 1,4×10¹⁰ К ~ 1,3 МэВ большая часть нейтронов распалась на протоны и электроны, пока не установилось равновесие из 75% протонов и 25% нейтронов. Вторым событием этой эпохи была аннигиляция электронов и позитронов: с образовали высокоэнергетических световых квантов.

Космос к концу эпохи представлял собой плазму из протонов, нейтронов и фотонов. Фоном для такой плазмы служило отдельные нейтрино. Температура плазмы снизилась примерно на миллиард кельвинов, а плотность приблизилась к той, что преобладает сегодня внутри звезд.

Эпоха ядерного синтеза .

Состояние протоплазмы соответствовало состоянию плазмы звезды. Как известно, звезды получают лучистую энергию из реакций ядерного синтеза. Протекающие в протоплазме процессы синтеза нуклонов p + n Û D D + D Û He смещали равновесие вправо. В итоге установилось соотношение: 77% водорода и 23% гелия.

В ходе восьми эпох эволюции протоплазмы, охватывающей примерно временной промежуток продолжительностью в три часа, образовалась раскаленная плазма из ядер различных химических элементов, электронов и фотонов.

В целом, концепция Большого Взрыва объясняет обнаруженную экспериментально распространенность легких ядер в космосе. Ядра более тяжелых элементов, чем железо, образовались гораздо позднее, в результате вспышек сверхновых звезд.

Самоструктурирование вещественной материи

Эпоха фотонного моря

К началу эпохи температура достигала Т ~ 10⁸ К, что соответствует состоянию плазмы в установке ядерного синтеза (инженерные проекты).

Достоверной информацией о состоянии Вселенной в начале этой фазы является космическое фоновое излучение или реликтовое излучение с температурой 2,7 К, заполняющем всю Вселенную: его плотность примерно 5×10⁸ фотонов/м³ и оно равномерно окружает Землю со всех сторон.

Согласно гипотезе Гамова и др. реликтовое излучение происходит от протоплазмы, заполнявшей Вселенную через несколько часов после процесса начала расширения. Плотность фотонов в такой протоплазме значительно превосходила плотность остальных частиц, примерно в 10⁹ раз, ее назвали «фотонной плазмой». В процессе адиабатического расширения это соотношение практически не изменилось.

Сегодня в космосе на 1 атом водорода/м³ приходится 10⁹ фотонов/м³. Но в отличие от современной эпохи фотоны начала этой эпохи обладали высокой тепловой энергией примерно равной 10 кэВ.

В модели адиабатически расширяющейся Вселенной температура падает с зависимостью от времени:

,

t – время в годах.

Спустя 10⁵ – 10⁶ лет температура снизилась примерно на 2-3 тысячи кельвинов, что и стало причиной начала образования атомов водорода и гелия. Непрозрачная же фотонная плазма преобразовалась в прозрачный инертный газ (подтверждается опытом).

Наблюдаемое сегодня реликтовое излучение представляет собой в некотором роде фотографию космоса времени образования атомов. Фотоны, пребывавшие в термодинамическом равновесии с протоплазмой, практически не взаимодействовали с только что образовавшимся разреженным газом и могли преодолевать огромные расстояния. Их сейчас можно наблюдать в форме реликтового излучения при помощи земных радиотелескопов, получая от них информацию о Вселенной после Большого взрыва.

Эпоха самоструктурирования пространства и времени

К началу эпохи космос был заполнен относительно однородным разреженным инертным газом и оставался в таком состоянии от 10⁸ до 10⁹ лет, продолжая при этом расширяться.

Структурообразованию космоса послужили:

1. Понижение температуры и плотности энтропии вследствие расширения и возникновение гравитационных неустойчивостей (основной механизм).

2. Незначительная неоднородность в протоплазме (не ясна, окончательно ее роль), послужившая своего рода затравкой для структурообразования.

3. Передача энтропии от вещественной материи к реликтовому излучению.

Основным механизмом структурообразования служили гравитационные неустойчивости. Еще в 1662 г. Ньютон выдвинул гипотезу о том, что галактики и звезды могли сформироваться под воздействием гравитации и первоначально однородно распределенного газа. Поэтом общепризнано, что образовались сгустки газа, обладающие некоторым кинетическим импульсом (рис.).

К настоящему времени разработана теория эволюции медленно вращающегося газового шара, образовавшегося под влиянием гравитации. Именно в из такого газового шара, обладающего массой, примерно вдвое превышающей массу Солнца, могла зародиться планетная система с Солнцем в центре (существуют много гипотез образования планетной системы). За счет агломерации твердых частиц в газовом шаре размером примерно с Солнечную систему произошло образование планетезималей – небольших сгустков, размеры которых исчислялись сначала метрами и даже сантиметрами.

Гравитационное поле таких «зародышей» будущих планет захватывало все больше и больше газовой смеси из окружающего пространства, в результате чего и возникли планеты.

Эпоха образования «фотонной мельницы»

Мотором дальнейшей эволюции –- стали «фотонные мельницы» (как термодинамический механизм).

В условиях постоянного понижения температуры влияние гравитации становилось все сильнее: случайные флуктуации плотности усиливались гравитацией, происходило образование газовых шаров. При этом температура опустилась значительно ниже тысячи градусов. Из огромных сгустков газа начали образовываться галактики, затем и в галактиках начался процесс структурирования.

Вследствие адиабатического сжатия газовых шаров температура и плотность газа снова повысились. Повышение составило миллионы градусов, в них начинались реакции ядерного синтеза, т.е. происходило рождение новых звезд. За миллиарды лет из неупорядоченного распределения возникли сложные структуры – красные гиганты, белые карлики, солнца, планеты, галактики и галактические структуры. Все эти структуры, окруженные фоновым излучением, образовали своеобразный насосный механизм, называемый фотонной мельницей. Фотонная мельница подобна водяной мельнице или тепловому двигателю. Создаваемый температурный градиент обеспечивает работу тепловой машины, которая выделяет часть энергии в форме полезной механической работы. Важную роль при этом играет не только поток энергии, но и соответствующий поток энтропии: DS = DQ/Т. Тепловая машина получает тепло более высокой температуры и отдает тепло с меньшей температурой, в данном случае можно говорить об «экспорте» энтропии.

И. Пригожин доказал, что «экспорт» энтропии имеет важнейшее значение для всех без исключения систем, обладающих способностью к самоорганизации. Именно этот механизм явился движущей силой дальнейшей эволюции космоса, в частности эволюции пары «Солнце-Земля».

Поверхности звезд испускают фотоны, температура которых составляет тысячи градусов, минуя различные стадии, они попадают в фотонное море с температурой около 3 К (остаточное реликтовое излучение) в настоящую эпоху.

Земля в роли «фотонной мельницы». Земля принимает от Солнца тепловой поток мощностью 10¹⁷ Вт, температура составляет примерно 5800 К, и возвращает в космическое пространство примерно то же количество тепла, но с температурой около 260 К – температура теплового излучения нашей планеты. Величина «экспорта» энтропии в единицу времени составляет примерно –4×10¹⁴ Вт/К, что составляет 1 Вт/м²×К для 1 м² поверхности земли.

10