История Вселенной: от Большого Взрыва до наших дней

Сегодня мне хочется рассказать об истории нашей вселенной. О том, как из маленькой точки мироздание превратилось в то, что мы сейчас наблюдаем вокруг себя.

Ну что, поехали.

Вселенная существует почти 14 миллиардов лет. За этот очень длинный промежуток времени, она преодолела несколько эпох своей истории. Сейчас идёт 13—ый этап развития Вселенной, который называется «эра вещества».

Как же называются все фазы эволюции Вселенной, сколько они длились, что при них происходило? Как развивался окружающий нас мир?

Данная статья ответит Вам на эти вопросы.

Я опишу все этапы истории Вселенной в порядке с самого раннего до современного. Поэтому, начнём с «августинской эпохи».

Августинская эпоха.

Эта эпоха включает в себя состояние вселенной «до» и в момент Большого Взрыва. О данном этапе развития мира ничего толком не известно — существуют лишь гипотезы — так как современные физические теории не могут описать события до «планковской эпохи». Учёные знают лишь то, что в самом конце данной эры произошёл Большой взрыв — внезапано началось расширение пространства. К началу этого поистине грандиозного события, Вселенная была заточена в очень маленькую точку, обладая бесконечными плотностью и температурой, т.е. находилась в состоянии «космологической сингулярности».

Планковская эпоха.

Это самый ранний этап развития Вселенной, о котором существуют какие-либо теоретические предположения и описания. Данная фаза началась сразу после большого Взрыва и длилась в течение т.н. «планковского времени» от 0 до 10^-43 секунд после рождения Вселенной.

В то время (происходило чёрт знает что) размеры Вселенной были очень малы. Настолько, что квантовые эффекты — явления, происходящие с частицами — преобладали над физическими взаимодействиями.

Вселенная в эту эпоху также обладала планковской температурой (10³² Кельвинов), энергией (10¹⁹ миллиардов электронвольт), радиусом (10^-35 метров, что равно планковской длине) и плотностью (10⁹⁷ кг/м³).

Все четыре типа взаимодействия частиц и состоящих из них тел (их ещё называют «фундаментальными») — сильное ядерное и слабое ядерное, электромагнитное, гравитационное — были тогда неотличимы друг от друга и объединены. Но так длилось недолго. Всему помешала очень высокая температура и плотность материи.

Эпоха великого объединения.

Эта фаза развития Вселенной началась с 10^-43 секунд и завершилась спустя 10^-35 секунд после Большого Взрыва. В самом её начале произошёл фазовый переход материи (схожий на конденсацию жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам). Это случилось из-за отделения гравитации от «единого фундаментального взаимодействия».

Эпоха Великого объединения закончилась очередным разделением. Вселенная охладилась до отметки в 10²⁸ Кельвинов и сильное взаимодействие стало самостоятельным. Теперь только электромагнитные и слабые ядерные силы представляли единое целое.

Такое событие повлекло за собой новый фазовый переход. Благодаря ему в следующей эпохе истории Вселенной появились новые частицы, а пространство-время начало масштабное и резкое расширение. Пошли серьёзные изменения в плотности распределении вещества.

Инфляционная стадия.

Фаза инфляции расположена на временной шкале между 10^-35 и 10^-32 секунд после Большого Взрыва. В ту эпоху Вселенная увеличила свои размеры во множество раз. Раньше радиус всего мира был равен «планковской длине», а теперь космос расширился до размеров аж целого апельсина. И далее продолжал разрастаться с ускорением.

Образовалось несколько видов частиц. Это были кварки (фундаментальные частицы, из которых состоят адроны — например, протоны и нейтроны), электроны, гипероны и нейтрино (нейтральные фундаментальные частицы из класса лептонов).

Через некоторое время температура Вселенной снизилось, благодаря чему произошёл еще один фазовый переход. Из-за этого случилось т.н. «нарушение СР-инвариантности» и начались первые процессы такого явления, как «бариогенезис».

Бариогенезис — это объединение кварков и глюонов в новые, составные частицы — адроны.

Кроме того, возникла ещё и загадочная «барионная асимметрия Вселенной» — преобладание материи над анти-материей. Ученые до сих пор не смогли объяснить причины её возникновения.

Помимо выше написанного, у физиков и космологов есть предположения, что в данную эру Вселенная прошла через несколько циклов повторных нагревании и охлаждении.

К концу эпохи инфляции, строительным материалом Вселенной стала плазма из кварков, анти-кварков и глюонов (переносчиков сильного взаимодействия).

Дальнейшее снижение температуры Вселенной привело к очередному фазовому переходу. Он заключается в образовании физических сил, фундаментальных взаимодействий и элементарных частиц в их современной форме.

Данный фазовый переход уместился аж в три эпохи и закончился «первичным нуклеосинтезом».

Электрослабая эпоха.

Между 10^-32 и 10^-12 секунд после рождения мироздания. Электромагнитное и слабое взаимодействия до сих пор представляли единое электрослабое, т.к. температура Вселенной всё еще очень высока. тогда появились бозоны Хиггса (те самые которые 3 года назад нашли на Большом Андронном Коллайдере), W — и Z — базоны.

Помимо новых экзотических частиц и кварк-глюонной плазмы, космос был заполнен фотонами (фундаментальными частицами, или квантами, электромагнитного излучения) и лептонами.

Эпоха кварков.

Данная фаза расположена в период от 10^-12 до 10^-6 секунд после Большого Взрыва. Тогда случилось нарушение «электрослабой симметрии». Теперь все фундаментальные взаимодействия существуют отдельно друг друга.

В кварковой эпохе температура и энергия всё ещё слишком высоки, чтобы кварки окончательно слились в адроны.

Знаменательное превращение произойдёт только на следующем этапе развития мира.

Эпоха Адронов.

Между 10^-6 и 100 секунд после рождения Вселенной. Наконец-то кварк-глюонная плазма охладилась до такой степени, что бариогенезис завершился и на свет появились адроны и антиадроны. Однако большинство из этих частиц аннигилировали (взаимоуничтожаются). Сохранился лишь их малый остаток.

Вскоре Вселенная охладилась и расширилась настолько, что её температуры хватило всего лишь на создание лептонов и антилептонов. Эти частицы быстро становятся преобладающей массой во Вселенной.

Эпоха Лептонов.

В период от 100 секунд до 3 минут после Большого Взрыва расположилась эпоха лептонов. Тогда Вселенная стала прозрачной для нейтрино.

Космос продолжает охлаждаться. В конце эпохи температура снизилась до отметки, при которой образование новых лептонов стало невозможным. И пар «лептон-антилептон» настигает участь адронов. Большинство из них взаимоуничтожаются. Во вселенной осталось совсем небольшое количество лептонов, благодаря чему наступило доминирование фотонов.

Эпоха Нуклеосинтеза.

Одновременно с эпохой лептонов шёл и данный этап истории Вселенной. Благодаря достаточному охлаждению материи, выжившие адроны объединились в атомные ядра тяжелее водорода. Этот процесс и называют «первичным нуклеосинтезом».

В течение данной фазы возник первичный состав звёздного вещества: 75% водорода, почти 25% гелия, немного лития, дейтерия и бора.

Протонная Эра.

Началась с 3 минут после Большого взрыва и окончилась через 380.000 лет. Вещество стало доминировать над излучением.

В конце эпохи произошла рекомбинация (процесс, обратный ионизации) водорода. Из-за дальнейшего снижения температуры и расширения Вселенной, гравитация стала доминирующей силой.

Спустя 379.000 лет после Большого Взрыва, при температуре Вселенной в 3000 Кельвинов, произошло знаменательное событие — ядра атомов и электроны объединились в первые атомы. Началась «первичная рекомбинация». Это был поворотный момент: материя перешла из плазмы, непрозрачной для электромагнитного излучения в газообразное состояние. Вселенная наконец-то стала прозрачной.

В прошлые 379.000 лет фотоны страдали как могли. Различные заряженные элементарные частицы, коих раньше было вагон и маленькая тележка, препятствовали свету. Кванты света с ними взаимодействовали, из-за чего испытывали постоянные «пинки» и «толчки» со стороны «собратьев». Фотоны всё время отклонялись, либо поглощались заряженными частицами. В итоге, свет очень сильно рассеивался. Если бы наблюдатель попал в эту эпоху, он бы увидел перед собой один лишь густой туман.

Фотоны, как известно, взаимодействуют только с положительно и отрицательно заряженными частицами. И в конце «протонной эры» кванта света наконец-то обернулась удача. Отрицательные электроны и положительные протоны сгруппировались вместе с нейтронами в нейтрально заряженные атомы. Благодаря новым составным частицам, фотоны смогли свободно двигаться в пространстве и почти не взаимодействовать с веществом.

Реликтовое излучение и есть те самые фотоны, испущенные плазмой в сторону будущего расположения Земли и в связи с рекомбинацией избежавшие рассеяния. Они и до сих пор достигают нас, преодолевая расширяющееся пространство.

Тёмные века.

Наступили сразу после «протонной эры» и продлились 550 млн. лет. Вселенная настолько остыла, что после протонной эры, когда она переливалась красными оттенками, космос был ввергнут в черноту.

Это была скучная эпоха полной тьмы. Источников света (звезд или галактик) не было. Планет и астероидов уж подавно. Космос был заполнен преимущественно водородом, гелием и микроволновым реликтовым излучением.

Реионизация.

Часть истории Вселенной, которая началась сразу после Тёмных Веков и длилась 250 миллионов лет. По сравнению с прошлой, данная эра была повеселее и красочнее.

Начали образование кластеры — обособленные скопления пыли межзвёздного газа, которые возникали благодаря силам притяжения. Первыми плотными объектами стали квазары. Потом вспыхнули первые звёзды, появились газопылевые туманности.

Под силой гравитации они объединились в звёздные скопления, те — в галактики. Последние сформировали собственные скопления и сверхскопления.

Тогда, в недрах звёзд, в больших количествах образовались тяжелые элементы. Взрывы сверхновых разнесли их по Вселенной, из которых после сформировались холодные планеты, астероиды, метеорные тела, и, в конце концов, живые организмы.

Эра вещества.

Начиная с 800 миллионов лет после Большого Взрыва. Данная Эпоха идёт до сих пор.

Через несколько миллиардов лет после «реионизации» началось формирование планет и планетарных систем, в том числе и Солнечной Системы. Чуть более 8.4 миллиардов лет после Большого взрыва сформировалась Земля, а через ещё 500 миллионов лет на ней возникла жизнь.

Спустя 13.7 миллиардов лет после рождения Вселенной появились первые люди. Пройдет ещё пара миллионов лет и их потомки — представители вида Homp Sapiens — изобретут автомобили и самолёты, разработают релятивистскую и квантовую физику, освоят атомную энергию, исследуют ближайшие окрестности Вселенной, создадут Интернет, напишут эту стать. 🙂