Эскизы. 40. Рождение Вселенной - 1.
Этим постом начинаю публиковать 4-ю главу "Вселенная, звезды, галактики" книжки "Эскизы устройства мира". Конкретно в этом псто описаны рождение идеи "Большого взрыва", эпоха первичного нуклеосинтеза и плазменная эпоха.
§15. Большой взрыв, реликтовое излучение и возраст Вселенной.
Созданная Эйнштейном общая теория относительности (ОТО, 1916) в первые же годы получила однозначные наблюдательные подтверждения, предсказав наблюдаемые величины отклонения луча света в гравитационном поле массивного объекта (Солнца) и аномального смещения перигелия Меркурия. Естественно было бы ожидать, что ОТО успешно опишет и саму Вселенную, которую в те времена общественное мнение считало стационарной. То есть, не расширяющейся и не сжимающейся.
Попытка Эйнштейна описать стационарное состояние Вселенной на базе уравнений ОТО окончилась неудачей. Эйнштейн нашел выход введя в теорию свободный (задаваемый руками) параметр. Названный Λ-членом. С учетом этого члена стационарное состояние Вселенной было описано.
Однако, уже в 1922 году российский математик Фридман показал, что уравнения ОТО без Λ-члена дают решения как расширяющейся, так и сжимающейся Вселенной. В зависимости от величины средней плотности заполняющей ее материи.
Несколько лет этот результат находился в тени, пока Хаббл в 1929 году не сообщил миру, что наблюдения показывают наличие красного смешения в спектрах удаленных галактик. Что в соответствии с эффектом Допплера следует трактовать как расширение Вселенной. Однородное в том смысле, что скорость удаления галактик от нас пропорциональна расстоянию до этих галактик. Поэтому возник естественный вопрос о построении истории Вселенной.
От одного историка слышал такую приговорку: "История мидян темна и непонятна. Тем не менее, ученые делят ее на три периода". Примерно то же самое можно сказать и про историю Вселенной. Особенно про период от момента ее рождения до момента появления в ней привычных нашему сознанию элементарных частиц.
Рассуждения о прошлом Вселенной обычно начинаются с планковских параметров - объемной плотности вещества ρ ~ 1093г/см3 и температуры Т ~ 1032 Кo. Столь чудовищно большие параметры никто и никогда не наблюдал и вряд ли когда сможет увидеть. Поскольку максимальная плотность вещества, известная физикам и астрономам, есть плотность ядерной материи ρяд ≈ 3×1014 г/см3. И, к тому же, все известные физике элементарные частицы являются фермионами. Упаковать же любые фермионы до планковской плотности принцип Паули вряд ли позволит.
Но тогда что имеют ввиду, говоря о Большом взрыве? Этот термин появился, скорее всего, с целью популяризации получившей однозначные наблюдательные подтверждения модели Горячей Вселенной, идея которой была высказана Гамовым еще в 1947 году.
Поэтому начнем с изложения уже понятой истории Горячей Вселенной. А предшествующий ей период, описанный в математических моделях, основанных не столько на физической, сколько на математической интуиции, но не подтвержденных ни в экспериментах, ни в наблюдениях, в том числе - модели Космической инфляции, обсуждать не будем. Тем более, что этот период по мнению описывающих его авторов длился по совокупности от силы несколько секунд от момента рождения Вселенной.
15.1. Эпоха первичного нуклеосинтеза.
В рамках упомянутой выше модели Вселенная продолжила расширяться из состояния очень горячей плазмы, состоящей в основном из протонов, электронов и фотонов. В такой Вселенной шли термоядерные реакции (нуклеосинтез), в которых из протонов и образующихся в ходе реакции нейтронов образовывались ядра гелия и в микроскопической доле ядра лития. На создание ядер гелия в ходе этой эпохи было израсходовано немногим более десятой части протонов.
В существующих моделях эта эпоха могла начаться через несколько секунд после рождения Вселенной и длиться не более десятка минут.
15.2. Плазменная эпоха.
Нуклеосинтез прекратился из-за обусловленного расширением Вселенной падения температуры плазмы. Другими словами, температура во Вселенной упала до меньшей, чем в недрах звезд, величины. Дальнейшее расширение Вселенной сопровождалось соответствующими падениями плотности и температуры плазмы. Падала и энергия фотонов, непрерывно взаимодействующих с заряженными частицами плазмы. И в какой-то момент температура плазмы и энергия фотонов упали настолько, что наступила возможность рекомбинации (объединения протонов и ядер гелия с электронами в электрически нейтральные атомы).
К этому моменту энергия подавляющего большинства фотонов стала недостаточной для ионизации возникающих атомов водорода, гелия и лития. Что произошло при температуре Вселенной Т ~ 3000 °К. В итоге плазма Вселенной превратилась в электрически нейтральный газ. И фотоны, потерявшие возможность рассеиваться на заряженных частицах плазмы, обособились.
Об этом явлении говорят как об отрыве излучения от вещества. Произошло это примерно через 380 тысяч лет с момента рождения Вселенной. А оторвавшееся от вещества излучение по мере расширения Вселенной продолжало остывать и в настоящее время наблюдается как реликтовое излучение с температурой Т ≈ 2,7 °К (в нем преобладают фотоны с длиной волны около 2 мм).
§15. Большой взрыв, реликтовое излучение и возраст Вселенной.
Созданная Эйнштейном общая теория относительности (ОТО, 1916) в первые же годы получила однозначные наблюдательные подтверждения, предсказав наблюдаемые величины отклонения луча света в гравитационном поле массивного объекта (Солнца) и аномального смещения перигелия Меркурия. Естественно было бы ожидать, что ОТО успешно опишет и саму Вселенную, которую в те времена общественное мнение считало стационарной. То есть, не расширяющейся и не сжимающейся.
Попытка Эйнштейна описать стационарное состояние Вселенной на базе уравнений ОТО окончилась неудачей. Эйнштейн нашел выход введя в теорию свободный (задаваемый руками) параметр. Названный Λ-членом. С учетом этого члена стационарное состояние Вселенной было описано.
Однако, уже в 1922 году российский математик Фридман показал, что уравнения ОТО без Λ-члена дают решения как расширяющейся, так и сжимающейся Вселенной. В зависимости от величины средней плотности заполняющей ее материи.
Несколько лет этот результат находился в тени, пока Хаббл в 1929 году не сообщил миру, что наблюдения показывают наличие красного смешения в спектрах удаленных галактик. Что в соответствии с эффектом Допплера следует трактовать как расширение Вселенной. Однородное в том смысле, что скорость удаления галактик от нас пропорциональна расстоянию до этих галактик. Поэтому возник естественный вопрос о построении истории Вселенной.
От одного историка слышал такую приговорку: "История мидян темна и непонятна. Тем не менее, ученые делят ее на три периода". Примерно то же самое можно сказать и про историю Вселенной. Особенно про период от момента ее рождения до момента появления в ней привычных нашему сознанию элементарных частиц.
Рассуждения о прошлом Вселенной обычно начинаются с планковских параметров - объемной плотности вещества ρ ~ 1093г/см3 и температуры Т ~ 1032 Кo. Столь чудовищно большие параметры никто и никогда не наблюдал и вряд ли когда сможет увидеть. Поскольку максимальная плотность вещества, известная физикам и астрономам, есть плотность ядерной материи ρяд ≈ 3×1014 г/см3. И, к тому же, все известные физике элементарные частицы являются фермионами. Упаковать же любые фермионы до планковской плотности принцип Паули вряд ли позволит.
Но тогда что имеют ввиду, говоря о Большом взрыве? Этот термин появился, скорее всего, с целью популяризации получившей однозначные наблюдательные подтверждения модели Горячей Вселенной, идея которой была высказана Гамовым еще в 1947 году.
Поэтому начнем с изложения уже понятой истории Горячей Вселенной. А предшествующий ей период, описанный в математических моделях, основанных не столько на физической, сколько на математической интуиции, но не подтвержденных ни в экспериментах, ни в наблюдениях, в том числе - модели Космической инфляции, обсуждать не будем. Тем более, что этот период по мнению описывающих его авторов длился по совокупности от силы несколько секунд от момента рождения Вселенной.
15.1. Эпоха первичного нуклеосинтеза.
В рамках упомянутой выше модели Вселенная продолжила расширяться из состояния очень горячей плазмы, состоящей в основном из протонов, электронов и фотонов. В такой Вселенной шли термоядерные реакции (нуклеосинтез), в которых из протонов и образующихся в ходе реакции нейтронов образовывались ядра гелия и в микроскопической доле ядра лития. На создание ядер гелия в ходе этой эпохи было израсходовано немногим более десятой части протонов.
В существующих моделях эта эпоха могла начаться через несколько секунд после рождения Вселенной и длиться не более десятка минут.
15.2. Плазменная эпоха.
Нуклеосинтез прекратился из-за обусловленного расширением Вселенной падения температуры плазмы. Другими словами, температура во Вселенной упала до меньшей, чем в недрах звезд, величины. Дальнейшее расширение Вселенной сопровождалось соответствующими падениями плотности и температуры плазмы. Падала и энергия фотонов, непрерывно взаимодействующих с заряженными частицами плазмы. И в какой-то момент температура плазмы и энергия фотонов упали настолько, что наступила возможность рекомбинации (объединения протонов и ядер гелия с электронами в электрически нейтральные атомы).
К этому моменту энергия подавляющего большинства фотонов стала недостаточной для ионизации возникающих атомов водорода, гелия и лития. Что произошло при температуре Вселенной Т ~ 3000 °К. В итоге плазма Вселенной превратилась в электрически нейтральный газ. И фотоны, потерявшие возможность рассеиваться на заряженных частицах плазмы, обособились.
Об этом явлении говорят как об отрыве излучения от вещества. Произошло это примерно через 380 тысяч лет с момента рождения Вселенной. А оторвавшееся от вещества излучение по мере расширения Вселенной продолжало остывать и в настоящее время наблюдается как реликтовое излучение с температурой Т ≈ 2,7 °К (в нем преобладают фотоны с длиной волны около 2 мм).