Космическая эволюция материи

По современным представлениям космическая эволюция дает начало всем процессам и формам развития материальных систем во Вселенной. Хотя в настоящее время существует множество различных гипотез ее происхождения и эволюции, но в качестве стандартной модели принимается гипотеза «большого взрыва». Она опирается на следующие эмпирические и теоретические данные:

во-первых, на эмпирические факты внегалактической астрономии о непрерывном удалении наиболее далеких от нас галактик;

во-вторых, на открытие в 1965 г. микроволнового излучения, названного впоследствии реликтовым, поскольку оно несет информацию о ранней истории Вселенной;

в-третьих, на постулат о разрушении симметрий между микрочастицами, с одной стороны, и силами, действующими между ними, — с другой.

По стандартной модели, как отмечено выше, первоначально Вселенная находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии. После взрыва она начала быстро расширяться и постепенно охлаждаться. Эти процессы привели к разрушению прежней симметрии между материальными частицами и связывающими их силами, а также единства и простоты в природе.

Что собой представляла Вселенная до взрыва, никаких надежных данных пока не существует. Высказываются лишь некоторые предположения и гипотезы. Один из инициаторов гипотезы «большого взрыва» Г.А. Гамов считал, что вещество Вселенной вначале состояло из нейтронов, которые в дальнейшем превращались в протоны, а из них возникли сначала ядра атомов, а затем и атомы. Однако эта гипотеза оказалась теоретически несостоятельной. Поэтому в стандартной модели предполагается, что первоначально Вселенная могла состоять из электронов, позитронов и фотонов, а также нейтрино и антинейтрино. В настоящее время популярной становится кварковая модель в силу того, что эти гипотетические частицы считаются теперь основой для построения существующих элементарных частиц. Но такая модель, как указывалось выше, вызывает возражения многих специалистов прежде всего потому, что сами кварки являются лишь гипотетическими частицами и экспериментально непосредственно не обнаружены.

Относительно более надежными являются представления об эволюции Вселенной после взрыва и начавшегося ее расширения. Предполагают, что в первую сотую долю секунды после взрыва материя составляла своеобразную смесь вещества, состоящую из электронов и позитронов, и излучения, или фотонов, которые непрерывно взаимодействовали между собой. Электроны и позитроны превращались в фотоны, а последние в результате взаимодействия образовывали пару электрон и позитрон.

Подобное превращение вещества в излучение и обратно продолжалось до тех пор, пока существовало термодинамическое равновесие между ними. Вследствие этого существовала также и симметрия между веществом и излучением, с одной стороны, и веществом и антивеществом — с другой.

Как возникло впоследствии отделение антивещества от вещества и разрушение симметрии между веществом и излучением, остается только догадываться. Поэтому здесь можно прибегнуть лишь к исторической реконструкции. Поскольку доказано, что частицы вещества и антивещества при взаимодействии «аннигилируют», а точнее, превращаются в излучение, постольку предполагают, что в далеком прошлом наш вещественный мир каким-то образом оказался изолированным от антивещественного, ибо в противном случае все превратилось бы в излучение.

С падением температуры и дальнейшим расширением Вселенной возникли условия сначала для образования ядер легких атомов — водорода и гелия, а затем и соответствующих нейтральных атомов за счет захвата ядрами электронов. В общих чертах процесс космической эволюции и формирование Вселенной, по мнению нобелевского лауреата С. Вайнберга, можно представить в виде следующей последовательности кадров кинофильма¹.

Первый кадр. Начиная с ¹/₁₀₀ секунды после взрыва, когда температура стала равной 100 млрд градусов по Кельвину (в дальнейшем температура будет указываться по этой шкале), Вселенная была «заполнена везде одинаковым, однородным по свойствам супом из вещества и излучения, причем каждая частица в нем очень быстро сталкивается с другими частицами»².

Такими частицами были электрон и позитрон, а также фотон, нейтрино и антинейтрино. Кроме того, там существовало небольшое число ядерных частиц, около одного протона или нейтрона на каждый миллиард фотонов.

Второй кадр. Температура Вселенной упала до 30 млрд градусов, но качественно ее состав не изменился. Вселенная по-прежнему состоит из электронов, позитронов, фотонов, нейтрино и антинейтрино, которые находятся в тепловом равновесии. Небольшое число ядерных частиц все еще не объединяются в атомные ядра.

Третий кадр. Со времени первого кадра прошло чуть больше секунды, и температура Вселенной упала до 10 млрд градусов. К этому времени уменьшение плотности и температуры настолько увеличили среднее свободное время существования нейтрино и антинейтрино, что они начинают вести себя как свободные частицы и перестают находиться в тепловом равновесии с другими частицами. Однако существующая температура все еще не позволяет протонам и нейтронам объединиться в атомные ядра.

Четвертый кадр. Температура Вселенной теперь понизилась до 3 млрд градусов, которая ниже пороговой для электронов и позитронов. Поэтому они начинают быстро исчезать, превращаясь в излучение. Уменьшение температуры создает также условия для образования небольшого числа стабильных легких ядер, например, гелия. Нейтроны продолжают превращаться в протоны, хотя и значительно медленнее.

Пятый кадр. Теперь температура Вселенной упала до 1 млрд градусов, что, однако, в 70 раз выше, чем в центре Солнца. При этих условиях уже могут удерживаться ядра трития и гелия-3, а позднее и ядра дейтерия. Однако ядра тяжелее гелия в заметном количестве не образуются. Со времени первого кадра проходит чуть больше 3 минут.

Шестой кадр. Теперь температура Вселенной упала до 300 млн градусов, а со времени первого кадра прошло свыше 34 минут. В этот период все электроны и позитроны исчезают, за исключением небольшого количества электронов, необходимых для компенсации зарядов протонов. Но температура еще слишком высока, чтобы могли возникнуть стабильные ядра.

Пройдет еще свыше 700 000 лет, когда электроны и ядра начнут образовывать устойчивые атомы легких элементов, преимущественно водорода и гелия. В этот период происходит разъединение вещества и излучения. Одним из первых его следствий стало образование звезд, состоящих на три четверти из водорода и одну четверть из гелия. Другим следствием было то, что Вселенная стала прозрачной для излучения. Именно тогда возникает ставшее теперь широко известным космическое микроволновое излучение с температурой 3 градуса по Кельвину, которое часто называют реликтовым, ибо оно напоминает об истории возникновения Вселенной.

Самым главным результатом на стадии микроэволюции Вселенной бьио образование крайне незначительного перевеса над антивеществом вещества. Из него в результате дальнейшей эволюции возникло все богатство и разнообразие материальных образований и форм, начиная от атомов, молекул, кристаллов, минералов и кончая галактиками.

Разумеется, в стандартной гипотезе образования Вселенной много еще неясного и спорного. Прежде всего, остается нерешенным вопрос о структуре и состоянии материи первоначальной Вселенной. Ведь, кроме тех элементарных частиц, которые рассматриваются в стандартной модели, существуют и другие «кандидаты» на эту роль. Популярной остается также кварковая модель. Такая модель значительно проще объяснила бы состояние ранней Вселенной. Однако сами кварки в свободном состоянии пока не обнаружены, и, как указывает С. Вайнберг, отсутствие изолированных, свободных кварков есть одна из самых важных проблем, с которыми в настоящее время сталкивается теоретическая физика.

По этой причине наряду со стандартной моделью была предложена также гипотеза пульсирующей Вселенной, которая предполагает, что в ходе своей эволюции Вселенная подвергается периодическому расширению и сжатию. По мнению ее защитников, она удовлетворительно объясняет наличие гигантского количества фотонов во Вселенной во время циклов ее расширения и сжатия. Однако никаких эмпирических фактов, свидетельствующих о сжатии Вселенной, пока не обнаружено.

Четверть века назад была выдвинута гипотеза, которая рассматривает Вселенную как гигантскую флуктуацию вакуума и пытается объяснить разрушение в ней симметрий между веществом и антивеществом, а также между различными силами взаимодействия частиц и полей. В последние годы она приобрела особую популярность потому, что пытается раскрыть состояние Вселенной до взрыва. Согласно такой модели, Вселенная возникла из первоначального вакуума, который обладал огромной энергией, но находился в неустойчивом состоянии. Поскольку в этом вакууме, который называют возбужденным или ложным, господствовали космические силы отталкивания, постольку они и «раздували» занимаемое им пространство, а выделившаяся при этом энергия быстро нагревала Вселенную. В конце концов огромное повышение температуры и давления в процессе быстрого расширения возбужденного вакуума привело к взрыву сверхгорячей материи. После взрыва наступило резкое понижение температуры и давления, и в дальнейшем расширение Вселенной происходило по сценарию стандартной модели.

Стандартная гипотеза хотя и не раскрывает причин «большого взрыва» и первоначального состояния материи до этого, но отличается от многих гипотез в первую очередь тем, что, во-первых, опирается на важные эмпирические данные внегалактической астрономии; во-вторых, учитывает фундаментальную роль нарушения симметрий в процессе формирования все более сложных материальных систем; в-третьих, в ее основе лежит концепция самоорганизации синергетики об образовании и усложнении материальных систем.