Космическая эволюция материи.

Современная теория происхождения и эволюции Вселенной базируется на гипотезе «большого взрыва», которая основывается на следующих эмпирических и теоретических данных:

1) эмпирические факты внегалактической астрономии, которые свидетельствуют о разбегании галактик;

2) микроволновое излучение, открытое в 1965 г. (так называемое реликтовое излучение) и содержащее информацию о ранней истории Вселенной;

3) постулат о разрушении симметрий между микрочастицами, с одной стороны, и силами, действующими между ними, с другой.

Сущность теории «большого взрыва». Около 15-20 млрд. лет назад Вселенная находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии, достигнув некой сингулярной точки, произошел взрыв, после чего Вселенная быстро охлаждается и начинает постепенно расширяться. В результате последнего происходит разрушение симметрий между материальными частицами и силами, которые связывали их.

Состояние Вселенной до взрыва остается только гипотезой. Скорее всего, Вселенная состояла из электронов, позитронов, фотонов, нейтрино и антинейтрона. С открытием кварков популярность приобретает кварковая модель. Однако, в силу гипотетичности кварков, данная модель пока находится в стадии разработки. Более достоверные сведения имеются об эволюции Вселенной уже после взрыва.

В общих чертах процесс космической эволюции и формирование Вселенной, по мнению нобелевского лауреата С. Вайнберга, можно представить в виде следующей последовательности кадров кинофильма.

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». 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 700000 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 было 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.

Взаимодействие микро- и макрочастиц в ходе эволюции Вселенной.

Эволюция Вселенной охватывает два этапа – микроэволюция и макроэволюция. На стадии микроэволюции происходит молекул и атомов, создаются предпосылки для макроэволюции, когда создаются макротела и их системы вплоть до галактических и внегалактических систем. Главный фактор протекания микроэволюции и макроэволюции – разрушение физических взаимодействий:

1) сильное взаимодействие – отвечает за термоядерные реакции синтеза, которые лежат в основе процесса функционирования звезд, звездных систем и галактик;

2) слабое – участвует в радиоактивном распаде (деятельность Солнца и других звезд);

3) гравитационное – играет ключевую роль в возникновении первых звезд и галактик; сейчас определяет закономерности движения небесных тел;

4) электромагнитное – образование атомов, молекул, химических соединений и других систем.

На первой стадии эволюции Вселенной ядерное взаимодействие находилось в симметрии с гравитационным, а слабое с электромагнитным. Нарушение первой симметрии повлекло за собой образование звезд, галактик и других космических объектов (первое условие структурирования материи на микро и макро уровнях). Нарушение второй – образования множества тел, форм и систем. Таким образом, на стадии эволюции Вселенной микро- и макроэволюции взаимно обуславливали и дополняли друг друга («коэволюция» или совместная эволюция).

Эволюция Солнечной системы.

Современные представления об эволюции Солнечной системы базируются на теории О. Ю. Шмидта. Исходной посылкой данной теории являлась гипотеза о том, что Солнечная система образовалась из холодного газопылевого облака, которое окружало Солнце несколько миллиардов лет назад.

Суть теории: Планеты возникли путем объединения твердых тел и пылевых частиц. Сначала вокруг Солнца возникло газопылевое облако, которое состояло на 98 % из водорода и гелия, а остальные элементы были сконденсированы в пылевые частицы. Постепенно беспорядочное движение газа в облаке сменилось спокойным обращением вокруг Солнца. Пылевые частицы сконцентрировались в центральной плоскости, в результате чего возник слой повышенной плотности.

По мере уплотнения этого слоя и достижения «критического» значения, собственное тяготение этого слоя стало соперничать с тяготением Солнца. В результате слой пыли распадается на отдельные пылевые сгустки, которые начинают сталкиваться друг с другом и образовывать большое количество сплошных плотных тел. Наиболее крупные из них приобретают круговые орбиты и начинают в своих размерах обгонять другие тела – так возникают потенциальные зародыши планет, которые присоединяют постепенно оставшееся вещество из газопылевого облака (рождение девяти планет).

Именно эта модель возникновения и эволюции Солнечной системы объясняет разделение планет на две группы. Первую группу составляют планеты-гиганты, которые возникают в более отдаленной от Солнца области системы. За счет этого температура в этой части Солнечной системы была более низкой и все вещество, кроме водорода и гелия, было образовано в твердые частицы. Например, метан, аммиак и вода вошли в состав Урана и Нептуна, а газы составили основу для Юпитера и Сатурна. Вторую группу составляю планеты земной группы. В более близких областях, где и возникает эта группа, температура была более высокой, за счет чего все летучие вещества (метан и аммиак) остались в газообразном состоянии и не вошли в состав планет – планеты земной группы были сформированы из силикатов и металлов.

Происхождение и эволюция Земли:

В своих современных размерах Земля сформировалась около 4,5 млрд. лет назад в результате двух процессов: 1) конденсации первичного протосолнечного газопылевого облака; 2) слияния планетезималий (название мелких твёрдых частичек, послуживших материалом для построения планет). На раннем этапе создания Земли происходит непрерывный процесс аккреции (процесс падения вещества на космическое тело из окружающего пространства) и быстрого роста температуры (происходит за счет распада радиоактивных элементов, столкновения с падающими материальными частями, сжатия тела планета). Вследствие действия этих факторов идет процесс плавления и дифференциации вещества Земли – расслоение на ядро, мантию и кору.

Последующая эволюция Земли происходит во взаимодействии трех циклов. Первый цикл – геологический (шотландский геолог Дж. Геттон (1726-1797)) – горные породы подвергаются выветривание и образуют осадки. При погружении на глубину осадочные породы испытывают плавление и метаморфизм, а затем деформируются и перемещаются наверх вместе с растущими гонными цепями. Затем происходит последующее выветривание и новый цикл.