Концепции современного естествознания

Когда возраст Вселенной достиг 10^-43 с., появились первые материальные объекты, получившие название суперструн, поскольку по аналогии с обычными струнами они имеют длину и свойство колебаться. У струн нет толщины, а протяженность порядка 10^-33 см. Это суперструнный этап. Предполагается, что колебания струн способны порождать все возможные частицы и физические поля. При этом «обычные» частицы и физические поля живут только в реальном мире с числом измерений 3 +1 (три пространственных плюс время). «Привлекательная особенность такой картины состоит в том, что она дает возможность рассматривать все частицы в виде одного и того же фундаментального объекта — суперструны… Характеристики суперструны, такие как растяжение и энергия колебаний, могут изменяться, и эти вариации проявляются как частицы с различными свойствами. Другая привлекательная особенность суперструнной теории состоит в том, что взаимодействия частиц естественно объясняются разрывом струны на части или соединением отдельных кусков вместе»[41].

На каждом последующем этапе по мере расширения Вселенной температура постепенно снижалась, определяя протекающие физические процессы. Следующий этап назван этапом великого объединения, поскольку единая суперсила разбилась в начале его на силу гравитации и силу великого объединения. На данном этапе продолжили расширяться только три пространственных измерения, известные нам как длина, ширина и высота. Снижение температуры заставило струны сжаться, и они начали походить на точечные объекты, которые известны сегодня как элементарные частицы и античастицы. В этот период элементарные частицы обменивались частицами, ответственными за перенос силы великого объединения и были неразличимы между собой.

В возрасте Вселенной 10^-35 с. сила великого объединения расщепилась на сильную и электрослабую силы. Начался электрослабый этап. Элементарные частицы утратили способность взаимодействовать между собой посредством силы великого объединения и разделились на кварки и лептоны, но благодаря электрослабой силе взаимодействовали с излучением и были неотличимы от него.

В возрасте Вселенной 10^-10 с. произошло расщепление электрослабых сил на слабые и электромагнитные. Начался кварковый этап. В начале его в отсутствие электрослабой силы более влиятельной стала сильная сила, которая объединила кварки в протоны и нейтроны.

В возрасте Вселенной 10^-4 с. при температуре в миллиард градусов начался процесс образования ядер атомов водорода и гелия (нуклеосинтез). Соответственно этот этап получил название нуклеосинтеза. Полностью данный процесс был закончен в течение приблизительно трех минут.

В последующие 300 000 лет Вселенная продолжила расширяться, а температура понизилась до 3 000 градусов. Из ядер атомов и электронов стали образовываться атомы и началась эра вещества. Появление атомов может рассматриваться как окончание Большого взрыва.

На этапах возникновения вещества Вселенная состояла из плотной смеси элементарных частиц, находившихся в состоянии плазмы (нечто среднее между твердым и жидким состоянием). Плазма расширялась все больше и больше под действием взрывной волны. Соответственно, температура ее падала и в результате менялся состав вещества. «…когда температура была выше 1 млрд. градусов, электромагнитное излучение имело достаточно энергии, чтобы разрушить любые ядра, которые, возможно, возникали. Аналогично, если атом так или иначе сумел сформироваться, когда температура была более, чем три тысячи градусов, излучение вскоре сталкивалось с ним и выбивало электроны, делая их свободными. Ниже этой температуры энергия излучения была уже недостаточной для того, чтобы освобождать электроны, и поэтому атомы выживали»[42]. Через 0,01 с. после начала Большого взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия). По своему химическому составу Вселенная и в настоящее время более чем на 90 % состоит из водорода и гелия.

«Так как свободные заряженные частицы, способные взаимодействовать с основной частью излучения, отсутствовали, оно осталось, по существу, неискаженным при дальнейшем расширении Вселенной»[43]. Поскольку атомы нейтральны, а фотоны, из которых состоит излучение, отрицательно заряжены, излучение, когда сформировались атомы, отделилось от вещества. Обнаружение этого излучение, названного реликтовым, и стало решающим подтверждением модели Большого взрыва.

Что касается этапов Большого взрыва, то они ждут своей эмпирической проверки на современных мощных ускорителях типа Большого адронного коллайдера, на котором искусственно воссоздаются условия, существовавшие на ранних этапах эволюции Вселенной. Большой адронный коллайдер изучает взаимодействие элементарных частиц путем разгона их до энергии, при которой существенную роль играют и квантовые эффекты и эффекты общей теории относительности. Более подробно об этом будет говориться в главах, посвященных развитию физики.

Эволюция и строение галактик.