Вопрос Иерархия материальных объектов, Гипотеза Большого Взрыва – мировоззренческие аспекты биологии

Большо́й взрыв (англ. Big Bang) — космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной.

Согласно гипотезе "Большого Взрыва", первоначальное состояние вселенной характеризовалось чрезвычайно большой плотностью и температурой, недостижимыми современной физикой. В пределе в момент времени нуль, 10-20 млрд. лет назад, вся материя находилась в сингулярности - в бесконечно малой области с бесконечно большой плотностью и температурой. В момент времени "нуль" произошел так называемый "Большой Взрыв", в результате которого материя (частицы, античастицы и излучение) стала расширяться, заполняя все больший объем, причем состояние и свойства материи были однородными и изотропными (без выделенных областей или направлений), а плотность и температура частиц, античастиц и излучения снижались. Все процессы, которые происходили в интервал времени до планковского остаются невыясненными для современной науки. Начиная с планковского времени, можно высказать предположения какие процессы и как происходили в первичной материи. При столь высоких температурах энергии фотонов было достаточно для рождения пар всех известных науке частиц и античастиц. Так, при температуре порядка 10¹³ К протекали реакции рождения и уничтожения нуклонов (протонов и нейтронов) и антинуклонов, а также мезонов, электронов и позитронов, нейтрино и антинейтрино и др. По мере понижения температуры до 5˚х10¹² К прекратились реакции рождения фотонами нуклон-антинуклонных пар; нуклоны и антинуклоны аннигилировали и остался небольшой (относительная доля 10^-9) остаток избыточных нуклонов, для которых не хватило античастиц. Из этих избыточных нуклонов позднее составится все вещество Метагалактики. При температуре порядка 10¹¹ К плотность материи уменьшилась до плотности ядерного вещества. С этого момента времени, как считается, возможно изучение эволюции материи по твердо установленным ядерной физикой законам. При температуре примерно 2˚х10¹⁰ К электронные нейтрино перестали активно взаимодействовать с частицами и отделились в свободный нейтринный газ, для которого вся материя вселенной стала прозрачной. Когда температура материи снизилась до (1-2)˚х10⁹ К наступил и продлился несколько секунд (1-3 с) период активного ядерного синтеза: протоны и нейтроны образовали ядра гелия, других же элементов образовалось исчезающее мало. В результате ядерного синтеза во вселенной на ядра водорода (протоны) должно приходиться 75% общей массы нуклонов, а на ядра гелия - 25%. Такое же соотношение для ядер водорода и гелия реально наблюдается, что, как считается, подтверждает гипотезу "Большого Взрыва". (После стадии термоядерных реакций температура материи была настолько высока, что вещество еще примерно 1 млн. лет оставалось в состоянии плазмы, равновесной с излучением. При температуре плазмы порядка 4000 К произошла рекомбинация - протоны присоединили электроны и образовался нейтральный водород; несколько ранее образовался нейтральный гелий. Наступила эпоха разделения вещества и излучения: фотоны перестали активно взаимодействовать с веществом и стали распространяться свободно в ставшем для них прозрачном мире. Можно сказать, что в космосе вспыхнул свет, поскольку фотоны имели планковский спектр, максимум которого соответствовал температуре 4000 К, что характерно для видимого (в оптическом диапазоне) света. Вещество - первичные газообразные водород и гелий - позднее образовало звезды и галактики.

Звезды проходят длительный этап эволюции, в течение которой они тратят ядерное горючее и прекращают свое существование. В недрах звезд происходит синтез химических элементов, причем таким способом возможно образование элементов вплоть до железа. Более тяжелые элементы образуются на конечных стадиях эволюции звезд - при взрывах так называемых сверхновых звезд. В ходе эволюции звезд вселенная обогащается тяжелыми химическими элементами, выброшенными первыми звездами при истечении вещества или при взрывах. Звезды последующих поколений, и в частности, как полагают, Солнце, образовались уже из вещества, обогащенного тяжелыми элементами. Возраст старых звездных скоплений в нашей Галактике оценивается в 10-15 млрд. лет, возраст нашего Солнца - 4,6-5 млрд. лет. Эти цифры получены в рамках теории эволюции звезд по наблюдаемым значениям их светимости и массы.

Считается, что гипотеза "Большого Взрыва" подтверждается такими фактами: красным смещением спектра свечения галактик (разбеганием галактик); наличием микроволнового фонового (реликтового) излучения с температурой 2,7 К; наблюдаемыми количествами химических элементов во вселенной: 75% общей массы нуклонов приходится на водород и 25% - на гелий, остальных элементов - незначительная доля, а также сопоставимостью возраста звездных объектов и времени их эволюции с возрастом Метагалактики. Но у гипотезы "Большого Взрыва" имеются свои трудности. Первая трудность возникает с самого начала - с момента существования сингулярности, когда вся материя была сжата в точку до бесконечной плотности и имела бесконечную температуру, что физически непостижимо. К той же трудности можно отнести самый ранний этап развития вселенной, когда ее плотность и температура превышали планковские значения плотности и температуры. Современная наука не может описать состояние материи с такой плотностью и температурой, а тем более наукой необъяснимо состояние сингулярности. Вторая трудность связана с первой и выражается вопросом: почему произошел "Большой Взрыв" и сингулярность исчезла? Третья трудность также связана с первой и выражается вопросом: что было до сингулярности, или откуда появилась вселенная? Четвертая трудность опять же связана с первой и состоит в том, что непонятны условия, благодаря которым "Большой Взрыв" привел к однородному и изотропному расширению вселенной, а не расширению в виде разлета отдельных "осколков" или струй, как это бывает при взрывах. Кроме глобальных неразрешимых вопросов, связанных с сингулярностью и причиной возникновения "Большого Взрыва", существуют и другие, более "прозаические" проблемы. Например, не ясно, почему количество нуклонов во вселенной оказалось немного большим количества антинуклонов, так что этот избыток сформировал все существующее ныне вещество? Еще один вопрос связан с тем, что гипотеза "Большого Взрыва" пока не может объяснить существование галактик и их скоплений. Следующая проблема состоит в том, что в рамках нестационарной расширяющейся вселенной материя была однородной, но при этом существовало большое количество пространственных областей, не связанных друг с другом причинными связями. Т.е., не ясен механизм или причина, приводящая к установлению высокой степени однородности в этих не связанных друг с другом областях. Непонятно почему плотность материи в современной Метагалактике близка к критической. И наконец, как уже говорилось, непонятно как мог образоваться определенный спектр первичных возмущений плотности вещества, чтобы образовались галактики и их скопления.