1 - Происхождение вселенной
Женщины любят цветы, детей и наряжаться. Дети любят игрушки. Мужчины любят женщин, машины и спорт. Как появились эти материальные вещи – цветы, игрушки и машины? А также миллионы других вещей, который нас окружают? Как появились нематериальные явления как страсть к нарядам, к спорту и любовь? А также тысячи других нематериальных явлений как стресс, сон, тяга к власти, цветные революции и т.д.?
Что отличает людей от животных? Гипертрофированный орган – мозг и следующий из него интеллект. Разрушение, изменение и сохранение окружающей среды. Убийство животных и других людей ради забавы. А также изучение окружающего мира. Животные не пытаются разобраться, почему идет дождь, а люди пытаются понять это и многое другое.
Понятно, что изучить все на свете каждому человеку не под силу, просто времени не хватит. Но знать, как создался окружающий мир, просто обязательно всем. Потому что когда это знаешь, тогда ориентируешься в событиях и можешь более эффективно управлять своей жизнью, а также жизнью общества, то есть цивилизации. И в определенной мере прогнозировать будущее.
Если знаешь строительные технологии, то сможешь построить более надежный и удобный для проживания дом. Если их не знаешь и строишь наобум, то потом придется заниматься ремонтом и переделками. Чем строители-любители и занимаются.
Итак, в этой статье мы узнаем, как образовалась Вселенная. Ради чего – чтобы ориентироваться в событиях и более эффективно управлять своей жизнью.
Окружающий нас мир, то есть Вселенная, начал создаваться 13,8 миллиардов лет назад. Точное время не установлено, но скорее всего после обеда. Назовем это «время ноль». Что было до этого науке не известно. Одна из гипотез заключается в том, что не было пространства, времени и материи. Во «время ноль» наша Вселенная была в виде мельчайшей частицы колоссальной энергии. Эта частица имела бесконечно большую температуру и бесконечно большую плотность. Описать эту энергию во «время ноль» современная наука пока не может по простой причине. Наука описывает физические явления, которых в тот момент времени не существовало, как и самого времени.
Так вот, в один прекрасный во всех отношениях момент частица энергии начала расширяться и охлаждаться. Что и происходит на протяжении почти четырнадцати миллиардов лет. Что привело к расширению частицы современной науке не известно. И как только время стало больше чуть больше, чем «время ноль», из частицы энергии стали появляться различные состояния вещества (материи), энергии, физические законы и силы природы. Но будем идти по порядку.
В первые 10-43 секунд Вселенная имела размер значительно меньший, чем размер атома, и представляла чистую энергию. Кстати, как раз тогда появилось время и не только. После этого рубежа начали действовать известные нам физические законы и появилась возможность описать последующие процессы современными физическими теориями.
В следующие 10-35 секунд Вселенная быстро расширилась на много порядков до размеров несколько кубических метров со скоростью, значительно превышающей скорость света. В этот момент началось образование материи – появились субатомные частицы, кварки. Из них впоследствии будут создаваться нейтроны и протоны, которые составят ядро атомов. Кроме вещества образовалось также антивещество.
Затем в течении 10-5 секунд вещество и антивещество аннигилировали, при этом высвободилось огромное количество энергии. И тут нам повезло – вещества было чуть больше и после аннигиляции осталось немного материи, которое позже и образовало всю Вселенную. Причем часть материи было «темной материей», которая в настоящий момент времени составляет 85% массы Вселенной и которую пока нельзя определить существующими приборами. Кварки сгруппировались и объединились в протоны и нейтроны.
В последующий период 10-5 – 1 секунда кроме материи образовалась группа легких частиц, лептонов. Это электроны и нейтрино, образованные 13,8 млрд лет назад они сохранились до сих пор. За первую секунду жизни образовалось все вещество Вселенной, весом 1050 тн.
Затем в промежутке 1-100 секунд произошло сильное охлаждение Вселенной и нейтроны и протоны начали объединяться, образуя атомные ядра. При этом создались первые известные нам элементы – водород (75% массы Вселенной) и гелий (25% массы). В таком соотношении доля элементов сохраняется до сих пор. Кроме того образовалось небольшое количество тяжелых элементов (литий, дейтерий).
Далее в течении 100 000 лет материя была очень плотной, а энергия существовала в виде фотонов. Температура была настолько высокой, что атомные ядра не могли захватить электорны и образовать целые атомы. По окончании этого периода времени масса и плотность фотонов уменьшилась и свет смог отделиться от материи.
Затем в течение еще 280 000 лет температура Вселенной значительно уменьшилась, ядра смогли соединиться с электронами и образовать атомы. При этом высвободилось большое количество энергии, остатки которого сейчас мы наблюдаем в виде реликтового излучения.
При этом Вселенная погрузилась во тьму, так как из-за остывания не было источников света. Это продолжалось 300 млн лет и называется «Темными веками». Водород и гелий были рассеяны неравномерно, более плотные участки начали притягивать к себе все больше вещества. Так появились газовые облака, в которых начали формироваться звезды, которые были в сотни раз тяжелее нашего Солнца. Темные века закончились и появились источники света в виде первых звезд. При формировании первых звезд планеты не образовывались, так как в газовых облаках не было «твердой материи».
Звезды в газовых облаках образовывались так. Масса центра облака всегда велика и начинает притягивать к себе частицы облака. При уплотнении вещества происходит нагрев и когда температура достигает 10 млн градусов, начинается термоядерная реакция и образуется звезда. В результате ядерного синтеза происходит переход массы в энергию и этой энергии выделяется огромное количество. Например, небольшая горстка вещества весом 60 мг, выделяет столько энергии, которое испарит воду из большого бассейна.
Часть звезд имеет небольшую массу, термоядерная реакция в них идет медленно. Например, весь водород нашего Солнца прогорит только за 10 млрд лет, то есть у нас в запасе около пяти миллиардов лет. Температура в ядре звезды не сильно большая, порядка 15 млн градусов. Хотя если немного вещества из ядра Солнца величиной с булавочную головку поместить на нашу планету, то такая температура выжжет все в радиусе около 100 км.
Часть звезд имела огромную массу, период их сосуществования всего несколько миллионов лет, звезды взорвались, в результате чего образовались тяжелые химические элементы. Это происходит так. При большой массе звезды, которая в 15 и более раз превышает массу нашего Солнца, уплотнение вещества происходит сильнее. В таком случае и температура в ядре звезды становится больше. В частности, при температуре в 100 млн градусов происходит слияние ядер гелия и образуется углерод и кислород. А в красных сверхгигантах температура еще выше и в них образуются другие тяжелые элементы.
Чем глубже слой звезды, тем больше в нем температура и давление. Например, температура на поверхности Солнца 6000 градусов, а в ядре 15 миллионов. При определенной температуре и давлении создаются условия для появления определенного элемента. Чем глубже к центру звезды, тем более тяжелый элемент в ней образуется. В верхних слоях звезды ситезируются гелий, углерод и кислород. В средних слоях – неон и магний, в нижних – кремний и железо.
Верхние слои звезд имеют больший объем, чем нижние, поэтому и элементов в них образуется больше. Поэтому во Вселенной так много углерода и он входит в состав многих химических соединений. А в соединении с водородом он образует органические вещества, из которых состоят живые существа. То есть поэтическая фраза «мы состоим из пепла давно угасших звёзд» с физической точки зрения соответствует реалиям.
Вы обратили внимание, что в нижних слоях звезд образуется тяжелый элемент – железо. Но во Вселенной существуют элементы тяжелее железа, как они появились, если ниже «железного» слоя больше другие слоёв нет? Тут все дело в нейтронном захвате, он происходит в двух случаях. Медленный захват случается в обычной звезде, когда ядра атомов железа соединяются с нейтронами, оставшимися после термоядерных реакций. Быстрый захват происходит во время вспышки сверхновой. Что это такое.
Дело в том, что все звезды погибают, так как в них заканчивается «топливо». Небольшие звезды типа нашего Солнца сжигают содержащийся в них водород и термоядерные реакции в них прекращаются. При этом звезда начинает сжиматься и при этом разогреваться до температуры 100 млн градусов. Гелий превратится в углерод и затем в кислород. Звезда при этом расширится и поглотит часть планет – внешняя оболочка Солнца выйдет за пределы орбиты Земли. Этот процесс ядерного горения гелия быстро выжжет остатки топлива в звезде. Она опять уменьшится, при этом разогрев будет уже до значительно меньших температур. Звезда превратится в очень плотный, светящийся, остывающий объект, состоящий из углерода и кислорода. Это будет белый карлик. Это ждет наше Солнце через 5 млрд лет и в итоге оно уменьшится в сто раз.
Так погибают небольшие звезды, но гигантские заканчивают свой цикл с пользой для Вселенной. Когда топливо в гиганте заканчивается, то звезда начинает очень быстро сжиматься. Столкновение внешней оболочки с ядром вызывает мощную ударную волну и вспышку сверхновой. Вот как раз во время вспышки и происходит быстрый захват нейтронов – они присоединяются к атомам, образуя химические элементы более тяжелые, чем железо. Но это ещё не всё, во время вспышек сверхновой элементы, которые образуются в разных слоях звезды, выбрасываются в межзвездное пространство. Эти элементы собираются в облака вещества, из которых могут быть образованы планеты. Если рядом когда-то произойдет еще одна вспышка сверхновой, то она запустит процесс гравитационного сжатия этого протосолнечного облака. В результате сжатия в центре облака зажжется новая звезда, а оставшееся вещество образует планеты.
А что остаётся на месте гигантской звезды, которая взорвалась в виде «сверхновой»? Большая её часть выбрасывается во время вспышки и образует протосолнечные облака. Меньшая часть сжимается в очень плотную массу, плотность в которой возрастает в 1015 раз! Губная помада из таково вещества весила бы на Земле больше, чем все её население. А на месте гигантской звезды появляется нейтронная звезда.
Ну а если на месте вспышки сверхновой останется много вещества (более пяти солнечных масс), то её последующее сжатие будет настолько сильным, что образуется черная дыра.
Вы заметили, что упрощенно весь процесс образования Вселенной выглядел так. Через 300 млн лет после «времени ноль» во Вселенной образовался большой запас водорода и гелия в виде неравномерных газовых облаков. Эти облака под действием гравитации сжались и в них образовались первые звезды, часть их которых были гигантами. В их слоях произошел синтез ряда элементов – углерода, кислорода, магния, кремния и железа, а также ряда тяжелых элементов. После окончания срока их жизни в несколько миллионов лет они взорвались в виде вспышек сверхновых. Во время вспышек произошло дополнительное образования тяжелых элементов и большая часть масс гигантских звезд выбросилось в пространство. Она образовалась в пылевые облака, которые уже состояли не только из газа, но и из вещества. В этих облаках зажглись новые звезды и как бонус в дополнении образовались планеты.
Сверхмассивных звезд на начальном этапе существования Вселенной было много, вспышек сверхновых соответственно также было много. Поэтому в последствии образовалось много звездных систем, имеющих планеты. Пик звездообразования был достигнут на пятом миллиарде лет.
А в промежутке 1 - 3 млрд лет звездные системы стали формироваться в гравитационно-связанные системы – первые галактики и скопления галактик. Существует несколько типов галактик: эллиптические, дисковые, спиральные и спиральные с перемычкой. Галактики имеют очень большую массу центра, который и притягивает к себе звездные системы. При этом в центре образуется сверхмассивная черная дыра, которая притягивает к себе даже свет. В среднем галактика имеет диаметр порядка 100 000 световых лет и состоит из сотен миллиардов звезд.
Все время существования Вселенная расширялась, причем с ускорением. Это происходит под действием необнаруженной пока силы, которую называют «темной энергией». В настоящее время наша Солнечная система удаляется от центра Вселенной к её окраине со скоростью 73,8 км в секунду.
Но нас больше интересует наша планета Земля и наша звезда Солнце. Если женщинам нужно 9 месяцев, чтобы выносить ребенка, то Вселенной понадобилось 9 миллиардов лет, чтобы в ней появилась Солнечная система и Земля. Согласно радиоизотопному методу датирования скальных пород и метеоритов возраст Земли, и соответственно Солнца, был определен в 4,6 млрд лет.
До этого момента на месте нашей системы находилось гигантское газопылевое облако. Оно было в диаметре где-то около трех световых лет. И тут по соседству случился взрыв сверхновой. Это привело к процессу сжатия облака к центру, где и образовалось Солнце, сконцентрировав в себе 99,9% всей массы облака.
Во время сжатия облако начало вращаться и вещество образовало диск. По мере сжатия скорость вращения облака возрастала. Этот процесс сжатия был достаточно скоротечен и занял порядка 100 000 лет. Как образуются звезды мы уже разобрали, теперь о том, как появляются планеты.
Наш протосолнечный диск состоял из газа, пыли, льда и элементов, доставшихся нам от сверхновой. При вращении диска твердые частицы пыли и льда стали присоединяться друг к другу под действием статического электричества. Но при вращении твердые частицы движутся быстрее, чем газ и тормозятся о него. В этот момент на частицы начинает сильнее действовать сила притяжения центра облака и они начинают двигаться к нему. Большинство частиц размером менее метра притянулись к центру за двести лет. Благодаря этому масса центра облака увеличилась и по достижению критических величин внутри зажглось Солнце. Но и после этого мелкие частицы продолжали притягиваться к звезде.
Некоторое количество мелких частиц скопились в куски, которые превысили размеры метра. При этом их масса стала такой, что момент движения стал преодолевать сопротивления газа. И такие куски стали вращаться по орбитам, потому что сила притяжения к центру облака уравновешивалась центробежной силой движения по орбите.
В этот период начался процесс разогрева центра облака, во время которого происходил выброс газа, создавая сильный солнечный ветер. Он выдувал из облака остатки пыли и газа и продолжалось это несколько десятков миллионов лет. При этом продолжался процесс образования крупных комков, которые двигались в диске по различным орбитам, круговым и эллиптическим. Большие объекты притягивали к себе мелкие, при столкновениях выделялось тепло. Объекты нагревались, частицы расплавлялись, содержащееся в них тяжелое железо постепенно притягивалось к центру объектов, образуя железное ядро.
Объекты, двигающиеся по круговой орбите, имели медленную скорость по отношению друг к другу. Поэтому столкновения их проходили без разрушений и потери частей. Постепенно такие объекты увеличивались в размерах и образовали планеты земной группы (Меркурий, Венеру, Землю и Марс).
Все это время центр диска разогревался и нагревал внутреннюю его часть. При этом лед превращался в жидкость, затем в газ, который в свою очередь выталкивался на внешнюю часть диска. Там было прохладно и происходило скопления льда и жидкостей. Граница между горячей и холодной частями диска называлась снеговой линией и находилась между орбитами Марса и Юпитера. Газ и лед холодной части продолжал скапливаться и постепенно сформировал планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Нептун и Уран.
В начальный период существования системы в ней еще было довольно много крупных объектов – астеродидов. Они двигались по разным случайным орбитам и при прохождении возле Юпитера, самого крупного объекта системы после Солнца, они тормозились. При этом их орбиты смещались во внутреннюю область системы и притягивались к Солнцу. Периодически на пути движения к звезде оказывались планеты земной группы. Они притягивали к себе эти объекты, тем самым подвергались астероидной бомбардировке и наращивали свою массу.
В результате всех процессов образовалась солнечная система. В её центре находится звезда – Солнце. Во внутренней области системы располагаются каменистые планеты земной группы, а во внешней – гигантские газовые и водные планеты. Планет восемь, раньше к ним причисляли ещё и Плутон. Но в 2006 году Международный астрономический союз перевел его в разряд карликовых планет. Возможно, тут вмешалась политика - площадь Плутона меньше площади России (16,6 против 17,1 млн кв км).
Между орбитами Марса и Юпитера находится пояс астероидов. Он состоит как из небольших каменистых кусков, так и из больших объектов – например, астероид Веста диаметром 500 км, астероид Церера диаметром 950 км. В сумме эти объекты могли бы сложиться в планету земной группы, но им в этом мешает гравитация Юпитера.
За орбитой последней планеты Нептуна располагается пояс Койпера, который состоит из ледяных комет. А на расстоянии светового года от Солнца находится сферическое облако Оорта. Оно также заполнено мелкими ледяными телами. Это облако, как и пояс Койпера, периодически «поставляют» кометы, которые проходят через Солнечную систему.
Так вкратце образовалась та планетарная система, в которой мы живем. Теперь нужно разобраться в процессе создания нашей планеты Земля.
Посмотрите видео "История Вселенной - 13,9 млрд лет за 10 минут"