Жизнь во вселенной

      Благодаря этим открытиям постепенно вырисовывалась величественная картина мироздания, по сравнению с которой наивными сказками кажутся старинные легенды о плоской Земле, неподвижно покоящейся в центре мире, и о небесной твердо с воткнутыми в нее звездами-булавками. В наши дни астрономия  находится на переднем крае современного естествознания и развивается необычайно быстрыми темпами.

      Астрономическая картина мира - это картина эволюционирующей Вселенной. Современная астрономия те только открыла грандиозный мир галактик, но и обнаружила явления (расширение Метагалактик, космическая распространенность химических элементов, реликтовое излучение), свидетельствующее о том, что Вселенная непрерывно эволюционирует. Эволюция Вселенной включает в себя эволюцию вещества и эволюцию структуры. Эволюция вещества сопровождалась понижением его температуры, плотности, обособление и формирование звезд и галактик, образование планет и их спутников.

      С течением времени менялась и роль физических взаимодействий в процессе эволюции Вселенной. В мире планет, звезд и галактик основную роль играет гравитационное взаимодействие: им обусловлено  движении и в значительной степени эволюция небесных тел и их систем.

      Но, кроме гравитационного существует три вида взаимодействий- слабое, с  которым связан, например, радиоактивный распад, сильное, с которым связан синтез ядер атомов, и электромагнитное,  с которым связано взаимодействие квантов электромагнитное излучения с электронами и другими заряженными частицами. «В горячей вселенной», представляющей своеобразную "лабораторию высоких энергий", при огромных температурах различные виды физических взаимодействий ныне могут быть представлены единым взаимодействием. Исследования такой возможности представляет огромный интерес для физики и космологии, потому как свойства вселенной оказываются неразрывно связаны со свойствами микромира. При температуре 1013 К и плотности 1020 кг/м*м*м (такими параметрами характеризовалась плазма через 10-6 с после "начала" расширения Метагалактики) вещество обладало свойствами, пока еще мало изучены.

      Еще меньше известно об особенностях процессов, происходивших еще раньше. Ученые предполагают, что следствием именно этих процессов стали такие фундаментальные  свойства Метагалактики, как, например, ее расширение, или тот факт, что  в Метагалактике небесные тела состоят из вещества, а не из антивещества.

     ^{Проблема  возникновения структурности  мира и жизни во Вселенной традиционно  трактуется следующим  образом: окружающая нас Вселенная обладает определенными физическими свойствами и закономерностями, познаваемыми нами.}

     ^{Как в таком случае происходит эволюция Вселенной, приводящая к достаточно сложным структурам, как зарождается и эволюционирует в такой Вселенной жизнь? От ответа на эти во многом еще не решенные вопросы зависят возможность существования жизни в других областях Вселенной и в другие времена и направления ее поиска.}

     ^{Любая физическая теория, например уравнение  Максвелла в электродинамике, ставит перед собой задачу дать полное физическое описание той или иной системы, если известен полный набор начальных данных, поскольку в различных физических явлениях начальные данные различны. Но когда мы обращаемся к космологии, которая должна описать свойства одной единственной системы — нашей Вселенной, вопрос о начальных данных и фундаментальных постоянных неразрывно связан с вопросом: почему Вселенная именно такая, какой мы ее наблюдаем. Прежде чем подойти к ответу на этот вопрос, рассмотрим, какими представляются современному естествознанию начальные условия нашей Вселенной.}

     ^{Наиболее  важным моментом современной стандартной космологической модели Вселенной является вопрос о свойствах ранней Вселенной. Удовлетворительное описание свойств ранней Вселенной дается в модели де Ситтера. Более поздние промежутки эволюции Вселенной даются в модели Фридмана. Возникающая при этом зависимость размеров Вселенной от времени может быть примерно описана кривой, показанной на рисунке 1. Время перехода от деситтеровской стадии расширения (1) к фридмановской (2) обозначено через t_p. Физический смысл времени t_F в том, что оно показывает момент радикального изменения закона расширения Вселенной. Переход от одного закона к другому в | момент t_F означает радикальное изменение основных свойств Вселенной в этот момент, изменение ее фазового состояния.}

     ^{Модель  экспоненциального  роста размеров Вселенной де Ситтера R = exp (H_t) на начальной стадии ее эволюции получила название модели "раздувающейся" Вселенной. По этой модели, при t > 0 вся энергия мира была заключена в его вакууме. Деситтеровская стадия расширения длилась примерно 10~35 с. Все это время Вселенная быстро расширялась, заполняющий ее вакуум как бы растягивался без изменения своих свойств. Образовавшееся состояние Вселенной было крайне неустойчивым, энергетически напряженным. В таких случаях достаточно возникновения малейших неоднородностей, играющих роль случайной затравки, чтобы вызвать переход в другое состояние (в качестве примера можно привести явление кристаллизации). При переходе вакуума в другое состояние мгновенно выделялась колоссальная энергия за счет разности его начального и конечного состояний. Примерно за 10~32 с пространство раздулось в громадный раскаленный шар с размерами много большими видимой части Вселенной. При этом произошло рождение из вакуума реальных частиц, из которых со временем сформировалось вещество нашей Вселенной.}

     ^{Рис. 1. Зависимость радиуса Метагалактики от времени в модели де Ситтера—Фридмана (t_F — фридмановское время)} 

     ^{В последнее время  усиленно обсуждаются  причины того "первотолчка", который был началом  расширений нашей  Вселенной. Один из возможных механизмов, основанный на гипотезе о существовании кванта единого пространства-времени, описан в теории инфляционной Вселенной. Рассмотрим ее основные положения и выводы.}

     ^{А. Эйнштейном была выдвинута  идея о существовании  космического отталкивания. Если учесть эти силы в уравнениях динамики Вселенной, то полное ускорение оказывается равным}

     ^{а — а _тяг   + а_отт  .}

     ^{Ускорение тяготения а_тяг равно}

     ^{а_тяг = -GM/R2,}

     ^{а ускорение отталкивания а_отт в соответствии с гипотезой Эйнштейна пропорционально R:}

     ^{а _отт.   = cont-R.}

     ^{Рассмотрим  случай, когда во Вселенной нет  вещества, она "пуста". При этом М = 0 и  а_тяг = 0. Динамика Вселенной описывается ускорением а_отт. Можно показать, что при этом две пробные частицы, помещенные в такую пустую Вселенную, будут удаляться друг от друга по экспоненциальному закону.}

     ^{Согласно  современным концепциям естествознания, вакуум — не пустота, в физическом вакууме непрерывно происходят процессы рождения и уничтожения виртуальных частиц. Это своеобразное "кипение" вакуума нельзя устранить, ибо оно означало бы нарушение одного из основных законов квантовой физики, а именно, соотношения неопределенностей Гейзенберга. Как показал академик Я. Б. Зельдович в 1967 г., в результате взаимодействия виртуальных частиц в вакууме появляется некоторая плотность энергии и возникает отрицательное давление. Такое вакуумно-подобное состояние неустойчиво и с течением времени оно распадается, превратившись в обычную горячую материю. Энергия вакуумно-подобного состояния перейдет в энергию обычной материи, гравитационное отталкивание сменится обычной гравитацией, замедляющей расширение. С этого момента Вселенная начнет развиваться по известной стандартной космологической горячей модели эволюции. Рассмотрим исходные положения этой модели и ее основные результаты. Горячая модель Вселенной, как и любая другая, исходит из наблюдающегося в настоящее время факта ее расширения и объясняет три достоверно установленных факта — наличие барионной асимметрии Вселенной, космическое отношение числа фотонов к числу барионов, примерно равное 109, и однородность и изотропность реликтового излучения. Теория Большого взрыва в наши дни считается общепринятой. Согласно этой теории, наша Вселенная развивалась из первоначального состояния, которое можно представить в виде сгустка сверхплотной раскаленной материи. Излучение и вещество в нем находились в тепловом равновесии. В этой ранней Вселенной фотоны эффективно взаимодействовали с веществом, число частиц было равно числу античастиц.}

     ^{Для объяснения барионной асимметрии Вселенной предполагается, что распад лептокварков происходит с превышением числа рождающихся кварков над антикварками. Исходя из наблюдающейся сейчас барионной асимметрии число кварков должно относиться к числу антикварков как 1 000 000 001 : 1 000 000 000. Физическим обоснованием такого предположения является существование в микромире процессов, идущих с нарушением зарядовой симметрии (распад К-мезона). При этом важным является то, что барионная асимметрия не зависит от начальных условий. Родившиеся в результате распада лептокварков антикварки и кварки аннигилируют, возникает асимметрия и небольшой же избыток кварков выживает и является материалом, из которого строится вещество Вселенной. Нейтроны и протоны — основные строительные элементы нашего вещества — появляются через 10~6 с после Большого взрыва. До времени t ~10"nc подавляющая часть энергии сгустка заключена в излучении, после этого момента в связи с образованием протонов — в веществе. По мере дальнейшего расширения и остывания Вселенной в момент времени t = 3 мин 44 с начинается образование стабильных ядер легких элементов — эра космологического нуклеосинтеза. Длительность этой эры невелика — всего полчаса. Рассчитанная по этой модели концентрация гелия во Вселенной (около 25% по массе) совпадает с данными астрофизических наблюдений. После эры космологического нуклеосинтеза Вселенная тихо остывает. Ее температура снижается настолько, что электроны начинают соединяться с ядрами, образуя атомы. Энергии фотонов не хватает для их разрушения, с этого момента излучение отрывается от вещества. Дальнейшая эволюция излучения происходит в полном соответствии с законами теплового излучения. Теоретическое значение температуры этого "реликтового" излучения, дожившего до наших дней, в точности соответствует экспериментальным данным. Таким образом, только водород и гелий образуются собственно в Большом взрыве. Тяжелые элементы образуются позднее в недрах звезд и рассеиваются в пространстве благодаря звездным взрывам. Для дальнейшего развития наиболее важным представляется то, что в первые мгновения образования нашей Вселенной сформировался весь тот набор физических закономерностей и фундаментальных постоянных, который и обусловил ход ее последующей эволюции.}

     ^{Последовательность  событий в ранней Вселенной показана на рисунке 2.}

     ^{Рис. 2. Последовательность событий в ранней Вселенной} 

     ^{В развитии Вселенной  принято выделять следующие четыре стадии: адронную эру, лептонную эру, эру излучения, и эру вещества. Адронная эра продолжалась до t = 10"4с. При этом р >10иг/см3, Т > 1012К. Важной особенностью этой стадии является сосуществование вещества (протонов и нейтронов) с антивеществом (антинейтронами и др.). Причем количество частиц в единице объема было того же порядка, что и фотонов. Основной вклад в гравитацию давали тяжелые частицы — адроны. Они аннигилируют с античастицами, остается лишь небольшой избыток нуклонов, который в дальнейшем и определяет свойства нашего мира, т. е. значения его фундаментальных мировых постоянных. Самое начало (т. е. сингулярность) пока недоступно исследованию, так как при этом все главные параметры Вселенной (плотность, температура и т. п.) обращаются в бесконечность.}

     ^{Далее (до t = 10 с) шла лептонная эра, на протяжении которой температура уменьшается от 1012К до 5х109 К. С уменьшением температуры более эффективными становятся процессы соединения протонов с нейтронами и образованием дейтерия 2Н, трития 3Н и изотопов 3Не и 4Не. Именно в это время и образуется основная часть гелия, содержащегося в звездах и галактиках. На долю гелия приходится около 30%, на долю водорода — около 70%, а на долю остальных химических элементов — менее 1% массы вещества. За счет термоядерных реакций в Галактике может образоваться около 2% гелия по массе. Поэтому основная масса гелия должна была присутствовать в Галактике изначально. По теории горячей Вселенной за первые 100 с образуется 25% Не и 75% Н, что подтверждает и современный химический состав Метагалактики. Эра излучения продолжалась от 10 с до 1013с или 1 млн лет. При этом 300 < Т < 1010К, 10'21 < с < 104г/см3.}

     ^{Рис. 3. Связь температуры, энергии, размеров, плотности  и времени, существовавшая в ранней вселенной. Нижняя часть схемы показывае кварковый и лептонный состав материи}

     ^{Основной  вклад в гравитационную массу Вселенной давало излучение. В начале эры закончился синтез гелия, и продолжались процессы аннигиляции электронов с позитронами. Все это время температура излучения оставалась одинаковой с температурой вещества. Но как только температура уменьшилась до величины Т = 3000 К, энергия фотонов уже недостаточна для ионизации атомов водорода. Поэтому процессы рекомбинации электронов с протонами уже не уравновешиваются обратными процессами ионизации, и происходит "отрыв" излучения от вещества. С этого момента главную роль в расширении Вселенной начинает играть не излучение, а вещество.}