[Академия] Волшебство Вселенной: почему она прозрачна, как образовались атомы, материя и антиматерия

Всем привет!
Я продолжаю смотреть курс Greatest Unsolved Mysteries of the Universe и принимать участие в Академии. Вторая неделя была, как и первая, довольно-таки объемная и сложная по восприятию информации. Я с детства не сильно дружила с химией, поэтому сейчас начинаю с самого начала разбираться в азах, чтобы лучше понять астрофизику. В данном посте я хочу рассказать про 4 неразгаданные загадки, которые предопределили развитие нашей Вселенной на начальных этапах, что позволило образоваться жизни.

Я буду очень благодарна, если найдутся люди, которые больше меня разбираются в данной теме и смогут, если что, то исправить некоторые неточности или больше ее раскрыть.

В прошлом посте я упоминала такие вещи о ранней Вселеленной:

• высокая плотность
• большая энергия
• высокая скорость частиц

Все явления, которые я буду описывать дальше стали возможны только благодаря данным свойствам.

Реликтовое излучение или космическое микроволновое фоновое излучение

Наша Вселенная сейчас прозрачная, мы можем видеть множество небесных тел и явлений. Но так было не всегда. Первые несколько сотен тысяч лет вся Вселенная была наполнена светящимся туманом и светом, где ничего, кроме света, не было видно.

Реликтивное излучение - это равномерное тепловое излучение, которое наполняет нашу Вселенную, считается одним из доказательств Теории Большого Взрыва.

Как произошло так, что сейчас она прозрачна?

Первоначально наша Вселенная была очень горячей, имела высокую плотность. В ней постоянно присутсвовали электроны, барионы и фотоны, которые излучались и поглощались.
Постепенно, пространство расширялось, скорость всех частиц замедлялась и электроны получили возможность соединиться с протонами (ядрами водорода) и альфа-частицами (ядрами гелия), образуя атомы. Данный процесс называется рекомбинацией.

Рекомбинация случилась в приблизительном возрасте Вселенной - 400 000 лет.

Последствия рекомбинации:

• свободных заряженных частиц стало меньше
• пространства стало больше
• фотоны могли перемещаться, почти не взаимодействуя с частицами

В результате, те фотоны, которые были излучены плазмой, но не успели рассеяться из-за рекомбинации достигают сейчас нашу Землю.

Изначальный нуклеосинтез

Мы уже знаем, что наша Вселенная изначально существовала из электронов, нейтронов и протонов. Сейчас в ней есть атомы гидрогена, гелия и многие другие.

Существовала гипотеза, что все химические элементы, которые сейчас существуют были образованы вместе с Большим Взрывом, но это оказалось не так.
Что должно было произойти - это ядерный синтез, объединение субатомных частиц для образования более сложных элементов, например, карбона.

Трудность состоит в том, что ядерная реакция - это очень сложная реакция из-за того, что ядра имеют положительный заряд, поэтому они постоянно отталкиваются и избегают друг друга. Для того, чтобы ядерный синтез произошел необходимо наличие следующих условий:

• быстрое движение
• наличие высоко заряженных частиц
• высокая плотность

Как же это все произошло во Вселенной?
Когда Вселенной было только 10 секунд, то ее плотность составляла одну тонну на кубический сантиметр. Это довольно-таки высокая плотность. Вначале, энергия фотонов была очень высокая, и ее было достаточно, чтобы разбить связь между протоном и нейтроном (дейтерий), но потом, постепенно, с расширением пространства, эта энергия стала ослабевать, что позволило образовываться дейтерию и более сложным элементам.

Так произошел первоначальный нуклеосинтез первых атомов, что потом позволило образовываться более сложным частицам и молекулам.

Приобретение формы Вселенной

Посмотрев сейчас в небо, мы видим множество Галактик, звезд, астероидов и прочее. Есть места во Вселенной,где большое скопление небесных тел, а есть почти пусты места. Почему так произошло? Как была выбрана именно такая форма?

Представьте себе полностью однородную Вселенную с одинаковой плотностью, какой она была первоначально. Но потом появляется небольшой кусочек с чуть более высокой плотностью, соответственно, силы притяжения у него тоже больше. Материя начинает двигаться к нему все больше и больше. Одновременно, в других местах образуется пустота. Этот процесс называется гравитационной неустойчивостью.

Но главный вопрос состоит в том, что как первоначально образовались эти неоднородности?

Некоторые ученые объясняют это тем, что, когда в частицах было много энергии, то они могли, в прямом смысле слова, формировать частицы внутри и снаружи. Мы называем это виртуальными частицы. Согласитесь, звучит, как фантастика - энергия и частицы, сформированные из ниоткуда. Но это то, что можно наблюдать в лаборатории, но пока трудно объяснить (предполагают, что на эти вопросы ответит развитие квантовых наук). Пока нам известно, что вакуум - это не пустота, как мы считали, там происходят колебания. Что образует данные колебания - еще не известно.

Материя и антиматерия

В нашей Вселенной преобладает материя. Однако материя имеет свою антиматерию.

Антиматерия - это форма материи, в которой большинство ее атрибутов имеют отрицательные знаки.

Если бы преобладала антиматерия, то ничего живого не могло бы получится, как же произошло так, что у полностью симметричной и однородной Вселенной материя начала преобладать над антиматерией?

В ранней Вселенной фотоны постоянно превращались в частицы и античастицы, которые потом соединялись и образовывали вновь фотоны. Со временем, когда плотность и скорость частиц уменьшались, то образованным фотонам было недостаточно энергии, чтобы превратиться в частицы и античастицы. Вся Вселенная, по логике, должна была бы состоять только из фотонов, однако, мы состоим из атомов. Почему?

Если представить, что у Вселенной есть определенный баланс между материей и антиматерией, то, легко предположить, что существуют места, где преобладает материя, а где антиматерия. Например, возле Земли - материя, а рядом Галактика сделана полностью из антиматерии. Однако, это теория имеет некоторые сложности и нестыковки в реальном мире. Если представить, что на границе материи и антиматерии, эти 2 частицы случайно ударяются друг об друга, то энергия, выделенная при этом, должна быть просто неимоверной (например, при случайном соприкосновении частиц массой 100 кг взрыв будет в 100 000 раз мощнее, чем от атомной бомбы). В масштабах Вселенной это должны были быть настолько сильные вспышки, что так или иначе, они должны были уже достигнуть Земли, но этого не произошло.
Поэтому сейчас это объясняется тем, что первоначально материи было создано немного больше, чем антиматерии, но почему так произошло - загадка.

Что больше всего запомнилось

Многое из того, что сейчас существует - цепочка случайных и рэндомных событий. Многое остается непонятным. Многое еще предстоит раскрыть и узнать, но все стало возможным именно благодаря расширению пространству и некой темной энергии, которая на него воздействует. В следующем посте я расскажу именно о ней.

Всем теплых улыбок :)
До встречи!