Происхождение Вселенной

Наша Вселенная возникла 13,8 млрд. лет назад. Этот процесс называется «Большим взрывом» и он состоял из нескольких этапов, в результате которых наша Вселенная стала такой, какой мы её видим сегодня.

Одна из самых ранних эпох, о которой существуют какие-либо теоретические предположения, это Планковское время (Макс Планк – немецкий физик-теоретик) (10−43секунд после Большого Взрыва). В это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий.

Затем между 10−43 и 10−35с после Большого Взрыва Вселенная расширяется и охлаждается после Планковской эпохи, и различные типы взаимодействий начинают отличаться друг от друга по величине. Предполагается, что будущие теории взаимодействий смогут описать эту эпоху.

Между 10−35 и 10−32 с после Большого Взрыва Вселенная все ещё преимущественно заполнена излучением, начинают образовываться кварки, электроны и нейтрино (фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, и не наблюдающаяся в свободном состоянии; стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица; нейтральная фундаментальная частица, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях)

Между 10−32 и 10−12с после Большого Взрыва температура Вселенной всё ещё очень высока. Поэтому электромагнитные взаимодействия и слабые взаимодействия пока представляют собой единое электрослабое взаимодействие.

Между 10−12 и 10−6с после Большого Взрыва электромагнитное, гравитационное, сильное, слабое взаимодействия формируются в их современном состоянии. Температуры и энергии все ещё слишком велики, чтобы кварки группировались в адроны (термин предложен советским физиком Л. Б. Окунем в 1962 году, при переходе к кварковой теории) — класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Адроны обладают сохраняющимися в процессах сильного взаимодействия квантовыми числами (странностью, очарованием, красотой и др.)

Между 10−6 и 1с после Большого Взрыва. Кварк-глюонная плазма охлаждается, и кварки начинают группироваться в адроны, включая, например, протоны и нейтроны.

Спустя 1 секунду после Большого Взрыва вещество, уменьшающее свою плотность в результате расширения, начинает быть прозрачным для нейтрино. При больших плотностях и очень высоких температурах нейтрино взаимодействует с веществом: они вместе с антинейтрино превращаются в электроны, позитроны и обратно. После этого момента, наступившего спустя 1 секунду после Большого Взрыва, нейтрино становятся неуловимыми, ведь они больше не взаимодействуют с остальным веществом, которое становится для нейтрино прозрачным. По этой причине число нейтрино, которые вырвались в этот момент из вещества Вселенной, не меняется до наших дней: они только носятся по Вселенной, но не исчезают.

В первые пять минут после Большого Взрыва практически произошли события, определившие те свойства Вселенной, которые она имеет сегодня. Решающую роль в них играли протоны и нейтроны, которые, взаимодействуя с электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино, превращаются друг в друга. Но в каждый момент число протонов примерно равно числу нейтронов. Подчеркнем, что температура в это время была не менее ста миллиардов градусов. Но с течением времени температура вследствие расширения Вселенной уменьшается. При этом протонов становится больше, поскольку их масса меньше массы нейтронов и создавать их энергетически выгоднее.

Но эти реакции создания избытка протонов останавливаются из-за понижения температуры до того, как все нейтроны будут превращены в протоны, а именно, в тот момент, когда нейтроны составляют 15% от всех тяжелых частиц. И только после того, как температура падает до одного миллиарда градусов, начинают образовываться простейшие ядра (кроме самого протона, который является ядром атома водорода). Это становится возможным потому, что фотоны и другие частицы из-за "низкой" температуры уже бессильны разбить ядро. Нейтроны захватываются протонами, и образуется дейтерий (стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2, ядро (дейтрон) состоит из одного протона и одного нейтрона).

Затем реакция продолжается и заканчивается образованием ядер гелия, которые состоят из двух протонов и двух нейтронов. Кроме дейтерия образуется совсем немного лития и изотопа гелия-3. Более тяжелые ядра в это время не образуются. Период, длящийся от секунды до 5 минут, заканчивается потому, что из-за упавшей ниже одного миллиарда градусов температуры ядерные реакции прекращаются. Собственно, это те реакции, которые происходят при взрыве водородной бомбы.

В это время еще нет атомов. Вещество Вселенной представляет собой плазму, то есть одни голые ядра без орбитальных электронов. Эта плазма "нашпигована" фотонами. Поэтому ее называют фотонной плазмой. Она является непрозрачной для фотонов.

Вселенная постепенно охлаждалась и через 379 000 лет после Большого Взрыва стала достаточно холодной для образования атомов (3000 К) (2727 С0). Таким образом, из состояния плазмы, непрозрачного для большей части электромагнитного излучения, материя перешла в газообразное состояние.

За счёт гравитационного притяжения вещество во Вселенной начинает распределяться по обособленным скоплениям («кластерам»). Затем начали образовываться ранние формы галактик и газопылевых туманностей. Начинают образовываться первые звёзды, в которых происходит синтез элементов тяжелее гелия. В астрофизике любые элементы тяжелее гелия называют «металлами». 11 июля 2007 года Ричард Эллис (Калифорнийский технологический институт) на 10-метровом телескопе Keck II обнаружил 6 звёздных скоплений, которые образовались 13,2 миллиардов лет тому назад. Таким образом, они возникли, когда Вселенной было только 500 миллионов лет.

Через 8-9 миллиардов лет после Большого Взрыва начали образовываться структуры, соизмеримые по масштабу с нашей Солнечной системой. Солнце — звезда, возникшая относительно поздно (4,57 млрд. лет назад). Предполагается, что часть массы Солнца включает в себя остатки более ранних звёзд.