Рождение Вселенной

Эволюция, гибель звезд

В ХХ веке, опираясь на ряд фундаментальных исследований в физике, наука признала, что было “начало вселенной”. Сами процессы эволюции с их естественным отбором намекают на это тоже. Вид же эволюции может исходить из объяснения факта жизни. Современная космология соразмеряет между собой свойства человека со свойствами космоса и его началом. Основанием является физический вакуум, который для нас является как “ничто”, так как он никак не фиксирует себя заметным образом в локальном мире нашего проживания.

В настоящее время господствует теория о происхождении Вселенной в результате Большого Взрыва при флуктуации физического вакуума. Необходимо отметить, что эта теория не результат умозрительных заключений и представлений, которые приятны своей гармонической стройностью. Выводы постоянно подтверждаются прямыми и косвенными непротиворечивыми наблюдениями за Вселенной.

Физический вакуум можно принять как некую всепроникающую энергоинформационную среду, как некоторые состояние, где вещественные частицы либо отсутствуют, либо не могут себя проявить.

Одно из непротиворечивых предложений “устройства” физического вакуума выдвинул П. Дирак, основываясь на процессах рождениях и античастиц. Именно, эти моменты, когда частицы энергетически способны взаимодействовать с физическим вакуумом. По представлению Дирака вакуум заполнен целиком фермионами с верхним энергетическим уровнем - m0c2 (где m0 – масса покоя фермиона, в частности электрона, с – скорость света в вакууме). Фермионы – это квантовомеханические объекты, которые при образовании совокупности из таких же, как они, могут находиться лишь в одном энергетическом состоянии (физики говорят, что они подчиняются статистике Ферми – Дирака). Другой вид квантовомеханических объектов – это бозоны, то есть подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Эти частицы, находясь в совокупности себе подобных, могут находиться в любом энергетическом состоянии.

Фермионы, находясь в совокупности, которую назвали физическим вакуумом, не могут принимать участия в любых взаимодействиях, так как иначе они могут менять свои энергетические уровни, что противоречит принципу Паули. Если же случайно такой частице в вакууме сообщить энергию ΔЕ≥2m0c2, она может перескочить через свою запрещенную зону (-m0c2) и стать наблюдаемой. При этом в вакууме остается вакансия, которая воспринимается нами как античастица. Например, рождается из вакуума электрон, но с ним появляется позитрон.

В настоящее время есть много наблюдений по взаимодействию частиц и физического вакуума. Флуктуацией физического величины, которая характеризует систему, называется случайное отклонение истинного значения этой величины от ее среднего значения.

Именно как перспективное объяснение проблем сингулярности (особых точек прикосновения и начал) было предложено квантовое рождение Вселенной путем флуктуации вакуума, с последующим быстрым процессом инфляции (вздутия).

Основанием инфляции являются следующие физические утверждения.

1) Скорость увеличения размеров системы (на этом этапе раздувания) на много периодов превышает скорость света, то есть скорость передачи сигнала. Например: шар с радиусом изначальным равным с, вздувается со скоростью с3 (то есть не 3·108 м/с, а 27·1024 м/с).

Фундаментальность вакуума по отношению ко всем формам существования материи, то есть имеется принцип вакуумного единства мира.

Инфляционная теория говорит: рождается мини вселенная в результате вакуумной флуктуации.

Целью настоящей работы явилось в краткой форме дать описание современного представления о рождении и истории Вселенной. В задачу работы входило:

1) рассчитать в первых приближениях начальные условия флуктуационного Взрыва;

2) дать энергетическое изменение Вселенной;

3) показать гибель и рождение солнц;

4) оценить возможность нашего Солнца как будущей “черной дыры”.

Рождение Вселенной

В журнале “Вокруг света” (май, 2003 год) представлен график краткой истории Вселенной от Большого Взрыва до появления человека. По горизонтали отложено время в миллиардах лет. По вертикали – примерное значение температуры (в начальной точке – порядка 1011К).

Начало Взрыва и его параметры можно определить, используя три мировые константы:

С = 3·108– скорость света в вакууме, максимальная скорость передачи сигнала в мире, в котором мы проживаем.

G = 6, 67·10-11 – гравитационная постоянная, характеризующая взаимодействие двух единичных масс на единичном расстоянии друг от друга.

h = = 1, 06·10-34 Дж·с – постоянная Планка или квант действия.

Действием называется произведение энергии, вкладываемой в объект, на время этого вложения. По другому, интеграл от функции Лагранжа по времени. А функцией Лагранжа называется разность кинетической и потенциальной энергией системы. Квантом действия называется минимальное действие, которое мы можем определить в фазовом пространстве координат, то есть (x, у, z, mv, mv, mv). Он характеризует минимальный фазовый объем h, который мы можем ощутить.

Используя правило размерности, можно рассчитать необходимые нам параметры флуктуационного Взрыва.

Величина исходного флуктуационного размера

Планковское время или длительность взрыва определим как: t = t =

Определим массу правещества, которая актуализировалась в пределах ℓ за время t: m = m =

Плотность

Плотность правещества в момент Взрыва можно определить как:

Энергия

Энергию, выделявшуюся в это мгновение, можно определить в приближении отношения неопределенностей Гейзенберга.

ΔE·Δt =h; ΔE=h/Δt

Температура

В первый момент мы не можем говорить о температуре как таковой (в привычном значении этого стола), но сопоставление все же можно.

ΔE=kT; T =

Инфляционная теория утверждает, что за период от 10с до 10с произошло увеличение Вселенной в 10раз. Это очень громадная скорость увеличения объема, поэтому часто встречает скептические замечания, которые мы не будем комментировать, хотя ясно, что такое быстрое увеличение даст сильный разогрев. Дальнейшее развитие Вселенной идет с уменьшением энергии. Этот процесс мы можем представить как экспоненциальную зависимость, поскольку эксперименты в физике, биофизике и физикохимии показывают, что значительная часть энергетических (или температурных) экспериментов близка именно к экспоненте.

Е – начальная энергия Взрыва (ГэВ), t – время (миллиарды лет), к – коэффициент охлаждения.

Современное энергетическое состояние Вселенной известно и составляет Е = 10ГэВ через 14 миллиардов лет. Это позволяет оценить декремент охлаждения.

отсюда:

Таким образом, кривую рисунка 1 можно представить в аналитической форме как:

В начальный период Вселенную можно представить в виде кипящего котла, заполненного электронами, протонами, нейтронно и излучениями. Все они, взаимодействуя между собой, равномерно заполняют пространство. Это темный период Вселенной, в который уже начали образовываться атомы.

Примерно через 0,5 миллиарда лет начали образовываться звезды, формируется свечение и кончается темный период. Процесс интенсивного образования звезд идет до 2 миллиардов лет. Это область уменьшения энергии от 3,7·1018 ГэВ до 8,9·1016 ГэВ. Затем началось образование протогалактик и галактик, которые постоянно и интенсивно взаимодействуют между собой. Например, наша Галактика – Млечный Путь образовалась примерно через 3 миллиарда лет (энергетическое состояние приблизительно 7,4·1015 ГэВ).

Солнечная система образовалась через 10 миллиардов лет, когда энергия снизилась до 2·108 ГэВ. Примерно к этому периоду относится и появление живой клетки на Земле (энергетическое состояние Вселенной около 5,7·107 ГэВ). Охлаждение Вселенной примерно в 2·109 раз. Через 14 миллиардов лет на Земле появился человек. Энергия Вселенной составляла при этом 104 ГэВ, что сопоставимо с температурой примерно 1·1020.

Анализ космологов показал, что первые черные дыры появились тогда же, когда начали образовываться звезды, то есть можно считать, что черные дыры – естественные этапы эволюции галактик. Основную роль в самом начале играло именно гравитационное взаимодействие. Сегодня перед космологией стоит два вопроса:

концентрация материи с последующим образованием звезд,

формирование звезд с последующим собиранием их в галактики.

Это первый вопрос. Второй вопрос в следующем: что в начале дало свет?

термоядерный синтез в звездах,

излучение при “падении” звезд в черные дыры.

Эти два вопроса остаются открытыми, возможно все происходило одновременно и не надо ставить вопрос, что именно появилось раньше курица или яйцо.

Версия гибели звезд

В настоящее время непротиворечиво показано, что звезды с массой примерно равной массе нашего Солнца живут 10 миллиардов лет. Более массивные звезды живут меньше. Например, звезды с массой 10Мживет не более 100 миллионов лет.

Когда звезда исчерпывает свой энергетический ресурс (в современном представлении – это ядерное горючее), начинают падать температура и давление. В термодинамике это называют нарушением термодинамического состояния. Звезда начинает за счет механической неустойчивости сжиматься к центру. Развитие таких процессов можно представить на рис. 2. Идет постоянное сжатие до положения. Если достигает до точки А, то это примерно составляет 1060 барионов. В связи с увеличением плотности и преодолением электронного барьера сжатие усиливается. Электроны приобретают релятивистскую скорость и начинает идти реакция р++е- = n с образованием нейтронов.

В точке В вещество измельчается, то есть достигает плотности атомного ядра и постепенно стабилизируются в нейтронную звезду (в точке С).

В переходе АВ происходит взрыв из-за быстрого сжатия. Внешние слои отделяются и отлетают, создавая вокруг нейтронной звезды туманность (так происходит рождение сверхновой – туманность, а внутри нейтронная звезда).

Если то, что мы описали, происходит достаточно быстро, называется гравитационным коллапсом. Ядро уменьшает свой размер и начинает излучать (масса яблока на поверхности такой звезды до 5·109 кг).

Момент инерции у некоторых может уменьшаться очень сильно М = М·h2. Это уменьшение ведет к излучению излишков энергии с частотой V = 10-31,0 Гц. Такой объект называется пульсар. Период постепенно увеличивается. Считается, что это связано с его постепенным приближением к черной дыре.

Туманность создается выброшенным материалом (примерно 1035 Дж/с). Примером может служить Крабовиднал Туманность в созвездии Тельца.

Гравитация в положении С тоже может терять устойчивость и коллапс продолжаться до полной гибели звезды.

Возможная гибель Солнца

В настоящее время известно, что звезды с массами, близкими массе Солнца живут примерно 10 миллиардов лет. Так что пока беспокоиться не надо – у нашего Солнца есть в запасе еще не менее 5 миллиардов лет.

Масса Солнца составляет около 2·1030 кг и состоит в основном из атомов водорода (71%) и атомов гелия (около 26,5%). Если начнется потеря энергетического ресурса, то это вызовет понижение температуры (температура в центре до 0,3 радиуса равна 15·106 К) и понижение давления (давление в центральной части составляет 3,4·1016 Па). Электроны, приобретая релятивистскую скорость и вступая во взаимодействие с протонами, будут образовывать нейтроны. Примем массу покоя нейтрона, равной 1,7·10-27 кг. Тогда количество нейтронов в сжимающемся гравитационном Солнце составит:

Примем “радиус” нейтрона, равным 1·10-15 м, тогда его объем составит:

Общий объем при их “соприкосновении” тогда равен:

4. 2·10-45·1,2·1057=5·1012 (м3).

Таким образом, оценочное значение размера, которое примет объект, бывший Солнцем, составит:

Плотность вещества составит примерно:

Эта величина (см. рис. 2) соответствует образованию нейтронной звезды.

Но мы считаем, что вся масса Солнца остается, тогда, как известно, что при взрыве образуется значительный выброс с образованием вокруг нейтронной звезды (которая вблизи черной дыры может быть и пульсаром) туманности. В этом случае будет изменяться (уменьшаться) радиус звезды, но плотность при этом оставаться постоянной. Расчет радиуса нейтронной звезды в зависимости от количества уходящего вещества приведен на рис. 3.

Возможное образование черной дыры

Черная дыра область в пространстве, возникшая в результате полного гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут ее покинуть. Поэтому внутренняя часть черной дыры не связана с остальной Вселенной; происходящие внутри черной дыры процессы не могут влиять на процессы вне ее.

Для образования черной дыры, то есть объекта с плотностью больше 1028 кг/м3, необходимо сразу отказаться от понятия четкого радиуса нейтрона. Мы приняли размер 1·10-15 м, исходя из условий обменного взаимодействия. Если мы ставим задачу, что плотность может увеличиваться до 1028 кг/м3 и больше, объем системы должен составлять при этом:

V = то есть радиус должен составить:

Получается, что при сохранности числа нейтронов (1,2·1057), объем одного нейтрона должен стать:

1,2·1057·Х=504

Х=и радиус его при этом:

R= то есть “нейтроны” будут находиться уже не расстоянии 10-15м, а на расстоянии 10-19м (область слабых взаимодействий у элементарных частиц).

Если сохранить характер обменного взаимодействия, то можно оценить массу виртуального бозона, который может осуществлять такое взаимодействие. Это выполняем в условиях соотношения неопределенностей Гейзенберга. Речь идет о релятивистских взаимодействиях, значит, импульс равен:

ρ = и его неопределенность по отношению к R будет:

R·ρ=h, где (ρ≤m·c), то есть Rm·C=h

Отсюда: m= m= в массах электрона эта величина равна: 8,4·105 Mе. Эта величина на уровне слабых взаимодействий не так уж и абсурдна, а даже очень естественна. В энергетическом эквиваленте это составляет 429 ГэВ.

На основании расчетов, проведенных в работе и основанных на теории Большого Взрыва при зарождении Вселенной, можно сделать следующие выводы.

Опираясь на три мировые константы (гравитационную постоянную, квант действия и скорость света в вакууме) и правила размерности, получены некоторые начальные условия Большого Взрыва.

На основании расчета и известных данных, касающихся зарождения живой клетки и затем человека на Земле, получено математическое выражение, позволяющее в первом приближении определять энергетические характеристики разных этапов развития Вселенной.

Простыми расчетами показано, опираясь на уменьшение температуры и давления, что наше Солнце может превратиться в нейтронную звезду с радиусом от 10 до 3 километров в зависимости от количества материи, уходящей в мировое пространство в процессе энергетической утраты.

Рассмотрена возможность превращения будущей нейтронной звезды в черную дыру, что дальнейшее увеличение плотности может дойти до 1028 кг/м3.

Показано, что в подобной ситуации радиус черной дыры может стать примерно около трёх метров.

Показано, что при таком значительном увеличении плотности материи характер взаимодействий частиц внутри образующейся черной дыры остается обменным и не противоречит одному из четырех известных в науке взаимодействий – слабому взаимодействию.