Фундаментальные константы и антропный принцип.

Среди фундаментальных констант можно условно выделить мировые,

электромагнитные, атомные и физико-химические. Фундаментальные

константы не выводятся из физических теорий, а определяются экспериментально. В современном естествознании считается, что мировые константы стабильны, начиная со времени 10^-35 начиная с рождения Вселенной.

М. Планк предлагал добавить к первым трем фундаментальным константам постоянную Больцмана (к=1.38 10²³ Дж/(К моль), т.к. она устанавливает связь между микроскопическими характеристиками частицы и макроскопическим состоянием системы.

Установлено, что существование основных структурных элементов материи (атомных ядер, звезд, галактик) во Вселенной связано возможно лишь в очень узком диапазоне численных значений фундаментальных констант. Расчеты показали, что их малые изменения на ранней стадии формирования Вселенной могли бы привести к формированию качественно иного мира, в частности стало бы невозможно образование макроскопических структур, а следовательно и образование высокоорганизованной живой матери. Вопрос о причинах попадания численных значений мировых констант в узкий диапазон, обеспечивающий возникновение разумной жизни, нашел отражение в антропном принципе, предложенном Г.Идлисом в 1958 г. И Б.Картером с 1974 г. Антропный принцип сформулирован в слабом и сильном вариантах:

В период с 10^-43 до 10^-35 с материя существовала в виде излучения и сверхгорячей плазмы из множества рождающихся и аннигилирующих частиц и антицастиц. Для эволюции нашей Вселенной оказалось существенным, что число частиц и античастиц различалось примерно на 10^-7% в пользу частиц. Поэтому в процессе последующей аннигиляции античастицы исчезли полностью, а весьма малый реликтовый остаток вещества (10^-7%) образует нашу современную Вселенную.

До момента инфляции существовал, вероятно, только один тип фундаментальных взаимодействий – Суперсила. Непосредственно до 10^-43 с отделилась гравитация. В период завершения инфляции

(10^-36 – 10^-35 с) при температуре 10²⁸ К от великого объединения отделилось ядерное взаимодействие. Примерно через 10^-10 с электрослабое взаимодействие распалось на слабое и электромагнитное. С этого момента до наших дней в природе проявляются все четыре фундаментальных взаимодействия.

Период с 10^-35 до 10^-4 с называется эрой адронов. К концу этой эры кварки объединились в адроны. Возникли и лептоны, но температуры еще слишком высоки (10²⁸ – 10¹² К), нуклоны не могут образовать устойчивые ядра и удержать электроны в атомах.

В период с 10^-4 до 10 с Вселенная остывает до 10¹⁰ К и наступает эра лептонов. Аннигиляция между электронами и позитронами завершилась с избытком электронов. С участие лептонов идут реакции между протонами и нейтронами.

Далее наступает эра фотонов, длившаяся от 10 с до 10⁶ лет. Температура убывает от 10¹⁰ до 4000 К. Основная энергия Вселенной приходится на фотоны, т.к. уже прошла аннигиляция частиц и античастиц.

При охлаждении Вселенной до 10⁹ К (300 с) возникли условия, при которых за счет объединения протонов и нейтронов стали образовываться изотопы водорода и гелия. К моменту 10000 лет нейтроны были полностью израсходованы на образование гелия (~25%), оставшиеся протоны проявились в дальнейшем как ядра водорода (~75%). Это соотношение примерно сохраняется до наших дней.

После образования ядер легких элементов вещество еще долго представляло собой плазму. После снижения температуры до 4000К электроны стали удерживаться вблизи ядер, образуя атомы водорода и гелия. Произошло разделение вещества и излучения. Излучение стало распространяться по Вселенной свободно, охлаждаясь по мере расширения Вселенной. В настоящее время излучение имеет температуру порядка 3К. что соответствует микроволновому радиоизлучению. Это излучение и называется реликтовым. Экспериментально обнаруженное реликтовое излучение имеет температуру 2.7 К.

Через 10⁶ лет после начала эволюции Вселенной наступила эра звезд, или эра вещества, которая продолжается и в наше время. Постепенно под действием гравитации первичные неоднородности в распределении вещества превратились в огромные газовые сгущения, которые затем разделились на галактики. Дальнейшее дробление привело к распаду галактик на протозвезды, из которых затем образовались звезды.

ü Звезда – гигантский плазменный шар, длительно находящийся в устойчивом состоянии благодаря гидродинамическому и тепловому равновесиям.

Чёрная дыра́ — область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света.

Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер — гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда

Теоретически возможность существования таких областей пространства-времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна, первое из которых было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 году. Точный изобретатель термина неизвестен, но само обозначение было популяризовано Джоном Арчибальдом Уилером и впервые публично употреблено в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное (Our Universe: the Known and Unknown)» 29 декабря 1967 года. Ранее подобные астрофизические объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары» (от англ. collapsed stars), а также «застывшие звёзды» (англ. frozen stars).

Изображение, полученное с помощью телескопа «Хаббл»: Активная галактика M87. В ядре галактики, предположительно, находится чёрная дыра. На снимке видна релятивистская струя длиной около 5 тысяч световых лет

Вопрос о реальном существовании чёрных дыр тесно связан с тем, насколько верна теория гравитации, из которой их существование следует. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтверждённой экспериментально, является общая теория относительности (ОТО), уверенно предсказывающая возможность образования чёрных дыр, но их существование возможно и в рамках других (не всех) моделей (см.: Альтернативные теории гравитации). Поэтому наблюдательные данные анализируются и интерпретируются, прежде всего, в контексте ОТО, хотя, строго говоря, эта теория не является экспериментально подтверждённой для условий, соответствующих области пространства-времени в непосредственной близости от чёрных дыр звёздных масс. Поэтому утверждения о непосредственных доказательствах существования чёрных дыр, в том числе и в этой статье ниже, строго говоря, следует понимать в смысле подтверждения существования астрономических объектов, таких плотных и массивных, а также обладающих некоторыми другими наблюдаемыми свойствами, что их можно интерпретировать как чёрные дыры общей теории относительности.

Кроме того, чёрными дырами часто называют объекты, не строго соответствующие данному выше определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к такой чёрной дыре — например, это могут быть коллапсирующие звёзды на поздних стадиях коллапса. В современной астрофизике этому различию не придаётся большого значения, так как наблюдательные проявления «почти сколлапсировавшей» («замороженной») звезды и «настоящей» («извечной») чёрной дыры практически одинаковы. Это происходит потому, что отличия физических полей вокруг коллапсара от таковых для «извечной» чёрной дыры уменьшаются по степенным законам с характерным временем порядка гравитационного радиуса, делённого на скорость света.