Ғалам эволюциясының моделі

1922 жылы А.А.Фридман Эйнштейннің салыстырмалық теориясына сәйкес Әлемнің эволюциялық сипатын ашты. Бұдан кейін В.М.Слайфер галактикалардың көпшілігі (өзінің өлшеген 41 ден 36) 2000 км/с жылдамдықпен алыстап бара жатқандығын және тек, бірнеше галактиканың ғана жақындап келе жатқандығын анықтады. Кейін Күн біздің галактикамызда 250 км/с жылдамдықпен айналатындығы және осы галактикалардың жақындау жылдамдығы Күннің осы объектілерге қарай қозғалатындығына байланысты екендігі анықталды. (Алыстағы объектілердің жақындауымен алыстауын Доплердің эффектісін пайдалану арқылы анықтауға болады. Осы эффектіге сәйкес жақындап келе жатқан күннің сәуле толқындарының ұзындықтары азайтылып, спектрдің көгілдір жағына ығысқан, ал алыстап келе жатқан күн сәулесі толқындары үлкейіп спектрдің қызыл жағына қарай ығысқан.) 1929 жылы америкалық астроном Эдвин П.Хаббл (1889-1953) галактикалардың бастапқы нүктеден жан жаққа шашырайтындығын анықтады. Бұл нүкте ғаламның орталығы деп аталып, осыдан кейін ғалам қалыптаса бастаған бұл оқиға - Үлкен Жарылыс деген атқа ие болды.
Физика ғылымының (релятивистік және кванттық) жетістіктері эволюциялаушы ғаламның моделін жасауға мүмкіндік берді. Қазіргі кезде бақыланып жатқан және жаңадан көзге түскен объектілердің сипаты мен қозғалуын, 1916 жылы Эйнштейн ашқан салыстырмалылықтың жалпы теориясы ғана толық сипаттауға мүмкіндік береді. Бұл теорияда кеңістіктің үш өлшемі және уақыттың бір өлшемі байланыстырылған. Осылардың қосылуы нәтижесінде пайда болатын төрт өлшемді кеңістік – уақыт қисық. Оның қисық түрде болуы ғаламда зат пен энергияның болуымен түсіндіріледі.

Қазіргі заманғы салыстырмалылықтың классикалық жалпы теориясынан ғаламның өмір сүруінің үш түрлі вариантын көрсетуге болады:
1) Ғалам өткен уақытта да, болашақта да шексіз мәңгі тіршілік ете алады.
2) Ғаламның басы мен соңы бар.
3) Ғалам уақыт аралығында үнемі өзгеріп отырады.
С.Хокинг пен оның әріптестерінің көзқарастары екінші вариантты жақтайды: Ғалам пайда болған кезде заттардың тығыздығы шексіз үлкен, ал кеңістік – уақыттың қисаюы шексіз кішкентай болды. Осындай жағдайда физиканың заңдары да, біздің кезіміздегіден басқаша болуы керек. Қазіргі кезде физиктердің басым көпшілігі Жердегі материяның атомдық-молекулярлық құрылысын ескере отырып, ғаламның бастапқы жағдайын көз алдына елестету өте қиын деп есептейді.
Сингулярлы деген атқа ие болға бұл жағдай ғаламның барлық материясының аса аз болғандығым, аса жоғары температуралармен және қысыммен сипатталады. Бұл жағдай Ғаламның басында аса тығыз және ыстық жағдайда болып, кеңейген кезде біртіндеп суып кетуі - ғалам қалыпты суыққа сай деуге болады. Осындай “ыстық” ғалам моделі Г.А.Гамовпен ұсынылып, кейін ол стандартты деп аталатын болды.
Әрине, бұл жерде – материяның осындай сығылуы мүмкін бе деген сұрақ туу мүмкін. Бұл сұраққа космология мен физика оң жауап береді.
Салыстырмалы түрде қарастыратын болсақ, жақын арада галактикалардың жарығынан он есе жарығырақ ғарыштық объектілер табылды. Олардың көпшілігінің спектрлеріндегі қызыл түсті сызықтардың ығысуы 200% құрайды. Бұл жағдай олардың Күн системасынан өте алыс жатқандығын көрсетеді (бірнеше мың мегапарсекке дейін болуы мүмкін). Бұл объектілердің бұрыш мөлшері салыстырмалы түрде кішкентай, массалары аса ірі және олар жұлдыздарға ұқсас. Олардан шығатын энергия мөлшері ең ірі галактикалардың энергиясынан ондаған есе көп. Бұл аспан денелері квазижұлдыздар немесе , қысқаша квазарлар деп аталды. Бұлардан басқа “қара ойықтар” деп аталатын космостық объектілер де бар. Квазарлар мен “қара ойықтардағы” материя бізге физика мен химиядан таныс атом-молекулалық күйден өзгеше күйде болады.  “Қара ойықтардағы” материя өте кішкене көлемде сығылып, массасы өте жоғары болғандықтан, тартылыс күшін тіпті жарық та жеңе алмайды.
Яғни, материяның бізге физика мен химиядан белгілі заттардың атом-молекулалық күйінен басқаша күйі болуы мүмкін. Осыған сәйкес, егерде біз Жердегі барлық атомдарды олардың электрон қабықшаларынан ажыратып, жинасақ, олар бір ғана сіріңке қорабына сыйып кеткен болар еді. Басқа сөзбен айтқанда теориялық түрде де материяның аса кіші көлемдерге сығылуы мүмкіндігі бар екендігі сөзсіз.   
Қазір физиктердің есептеулері бойынша, атом – молекулалық күйде болатын материяны құрайтын үш жүзден аса элементарлық бөлшектері және физикалық ара - қатынастың төрт түрін ажыратады. Олардың ішінде адам олардың тікелей екі түрін қабылдай алады:

• гравитациялық әсерлесу  күштері – яғни барлық, тіпті алыс қашықтықтағы макроденелерде әсер ететін тартылыс күштері. Олар планеталар, жұлдыздар, галактика мен басқа ғарыштық жүйелердің қозғалуын анықтайды. Гравитациялық күш электромагниттік күштен бірнеше есе әлсіз.

• электромагниттік күштер – космостық объектілер мен жүйелерден тұратын микро және мегаәлемдер арасындағы аралық орын алады және барлық молекулалар, химиялық қосылыстар, кристаллдар, космостық денелер мен системалардың түзілу процестерінде шешуші роль атқарады. Электромагниттік күштер ядролық күштерден 100-1000 есе әлсіз.
Физикалық күштердің қалған екі типін (ядролық - күшті және әлсіз) адам қабылдай алмайды, бірақ олар микроәлемнің әртүрлі объектілерінің түзілуінде олар үлкен рөл атқарады.

• Күшті ядролық әсерлер адрондар арасында (грекше : “адрос” – күшті) болады, оларға бариондар (грекше: “барис” – ауыр) – нуклондар (протондар мен нейтрондар), гиперондар мен мезондар жатады. Күшті әсерлер тек алыс қашықтықтарда (радиусы 10 – 13 см) байқалады. Күшті әсерлерді 1911 жылы атом ядроларымен бірге Э.Резерфорд ашты (осы күштермен зат арқылы өтетін альфа заттардың шашырауы түсіндіріледі). Юкаваның гипотезасына сәйкес (1935) күшті әсерлер – аралық бөлшектер ядролық тасымалдаушылардың бөлінуі кезінде байқалады. Бұл 1947 жылы табылған массасы нуклонның массасынан 6 есе аз пи-мезон, ал кейінірек басқа да мезондар табылды. Нуклондарды мезон “бұлттары” қоршап тұрады. Нуклондардың қозған күйі бариондық резонанстар күйіне келіп басқа бөлшектермен алмаса алады. Бариондар бір-бірімен соғылысқанда қозған күйге көшеді, олардың бұлттары бір-бірімен қабысып, жан-жаққа таралған бұлттар бағытында  бірге бөлшектер бөледі. Түйісу аймағының орталық бөлігінен жан-жаққа, жай қозғалатын екінші бөлшектер бөлінеді. Ядролық күштер бөлшектердің зарядына байланысты болмайды. Күшті әсерлер кезінде заряд мөлшері сақталып қалады.
• Әлсіз ядролық әсерлер электромагниттік әсерлерден әлсіз, бірақ гравитациялық әсерлерден күшті. Әсер ету радиусы күшті әсер радиусынан екі есе аз. Әлсіз әсер есебінен Күн жарық береді (протон нейтрон, позитрон және нейтриноға айналады). Бөлінген нейтриноның өткізгіштік қасиеті   күшті – ол қалыңдығы млрд км темір плитадан өте алады. Әлсіз әсерлер кезінде бөлшектердің заряды өзгереді. Әлсіз әсер дегеніміз контактілі әсер емес, аралық бөлшектердің - фотон сияқты бозондардың алмасуы арқылы байқалады. Бозон виртуалды және тұрақсыз.

Сонымен, материяның әдетте бізге белгілі элементарлық бөлшектері және физикалық әсерлері жоқ күйі – сингулярлық күй деп аталады. Sіngular 1) –  ерекше, өзіне тән, арнаулы; 2) ерекше; 3) ерекшелік, арнаулылық; деген мағыналарды білдіреді. Қазіргі заманғы физика ғылымы дәлелдеп отырғандай, осы сингулярлық күйден бізге белгілі барлық элементарлық бөлшектер түзілген.
Ғаламның стандартты моделі бойынша сингулярлық күйдің бастапқы ішкі температурасы – саналуы Цельсий шкаласы бойынша – 2730-тан ал абсолюттік Кельвин шкаласы бойынша 1053 градустан астам болуы керек. Ал материяның тығыздығы 10 т/см3 жоғары болуы керек. Бұндай жағдайда Ғаламның стандартты моделі эволюциясының бастамасы болып табылған және сол үшін “үлкен жарылыс” деген атқа ие болған,  аса күшті жарылыс болуы керек еді.
Болжамдар бойынша, бұл жарылыс Ғаламның алдымен тез одан кейін тежелген ұлғаюымен бірге жүріп, кейін температурасы бірте-бірте салқындаған. Ғаламның жасын осы кеңею арқылы анықтау үлкен алшақтықты көрсетеді (13 тен 20 млрд жылға дейін), бірақ есептеулердің басым көпшілігі бойынша Үлкен жарылыс шамамен 20 млрд жыл бұрын болды деп жорамалданып отыр.
Ғаламдағы гелийдің мөлшерін зерттеу барысында Фред Хойл мына қызықты жағдайды байқады. Ғаламдағы гелийдің 10% ғана жұлдыздарда пайда болып, қалған 90% басқа жерлерде түзілуі тиіс. Бұл орынға ең бірінші кандидат есебінде ескі Ғалам қарастырыла бастады. Кейінірек гелийдің сол жерде пайда болғандығы анықталды. Жарылыстан кейін 3 минуттан соң нуклондардан жеңіл ядролардың қоспасы түзіледі: 2/3 сутегі және 1/3 гелий. Сутегі пен гелийдің бейтарап атомдары түзілгенде, зат түссізденіп, олар ғаламды кеңістікке сәуле шаша бастады. Қазіргі кезде бұндай процесс реликтілік сәуле шығару түрінде байқалып отыр. Бұл реликтілік сәулелер үлкен жарылыстың дәлелі болып табылады.
“Ыстық” ғаламның моделіне сәйкес, реликтілі сәуле шығарудың мүмкіндігін физик-теоретиктер алдын-ала жорамалдап кеткен болатын. Реликтілі сәуле шығару құбылысын, 1965ж. американдық “Bell” компаниясының қызметкерлері Пензиас пен Вилсон  “Эко” жер серігін бақылау үшін жасалған радиоантеннамен жұмыс істеу кезінде кездейсоқ байқады. Олар космостан әлсіз антеннаның бағытына тәуелсіз радиошуды естиді. Дикке, Пиблс, Ролл және Вилконсон Пензиас пен Вилсонның жүргізген өлшеулерін ғаламның ыстық моделінің космолгиялық дәлелеі ретінде түсіндірді. 
Кейіннен реликтілік сәуле шығару құбылысы арқылы, ондаған см-ден мм-ге дейінгі түрлі толқын ұзындықтарында көптеген өлшеулер жүргізілді. Реликтілік сәуле шығару радиогалактикада түзілген жұлдыздардың жарығы не радиотолқындар сияқты белгілі бір көздерден түзілген жоқ. Ол әлемнің бастапқы кеңеюі кезінен басталды. Ол ғаламның сингулярлықтан кеңейген ыстық затында болды. Реликтілік сәуле шығару осы кезге дейін сақталып, өте ертедегі сутегі мен гелийдің бейтарап атомдары түзілген кезеңнің реликтілік қалдығы болып қалып отыр. Басқа химиялық элементтер осы жұздызалдындағы заттардан ядролық реакциялар нәтижесінде түзілген.
Жалпы айтқанда, Ғалам түзілуінің стандартты моделі бойынша оның түзілуі төмендегіше жүрді. Жарылыстан кейін Ғалам температурасы Кельвин шкаласы бойынша 6 млрд градусқа дейін төмендеп, осыдан кейін алғашқы 8 секундта ол электрондар мен позитрондар қоспасынан ғана тұрды. Бұл қоспа жылулық тепе-теңдікте болған кезде әртүрлі бөлшектердің саны шамамен бірдей болды. Бөлшектердің бір-бірімен үздіксіз соқтығысуы әсерінен фотон жұптары, ал олардың соқтығысуынан электрондар мен позитрондар пайда болды.

Ғаламның бұдан кейінгі ұлғаюы және осыған сәйкес температураның  төмендеуі кезінде бұлардан ауырырақ ядролық бөлшектер – протондар мен нейтрондар пайда болды. Әлемнің микроэволюциясының осы кезеңінің  негізгі нәтижесі – бір миллиард фотонға бір протонмен немесе нейтронмен есептелетін, сәулелерге қарағанда заттар массасының басым болуы. Осыдан физикалық эволюцияның бұдан кейінгі процестерінде атом, молекула, кристаллдар, минералдардан бастап, түрлі планета, жұлдыздар мен олардың ассоциациялары, галактикалар мен олардың жиынтығына дейінгі толып жатқан материалдық құрылымдар түзілді.

Ғаламның физикалық эволюция процестері 10 млрд-тай жылға созылып, нәтижесінде молекулалар түзіліп, Ғаламның макроэволюциясының басталуының алғы шарты болып табылды. Осы макроэволюция нәтижесінде бізді қоршап тұрған макроденелер,  олардың әртүрлі жүйелері құрылды.
Жоғарыда көрсетілген өзара ара - қатынас күштерінің төрт түрінің сипаттамасы олардың қазіргі күйлеріне байланысты берілгендігін айта кету керек. Ғаламның физикалық эволюциясы барысында олар басқалай ара - қатынаста болды. Бастапқы кезеңде, яғни ғаламның өте ыстық жағдайында, ядролық күштер гравитациялық күштермен, ал электромагниттік күштері - әлсіз әсер ету күштерімен симметриялы болды. Тек күшті ядролық және гравитациялық күштер арасындағы симметрияның бұзылуы нәтижесінде аспан денелері, галактика мен космостық жүйелер түзілді. Сонымен қатар, электромагниттік күштер мен әлсіз өзара әсер күштері арасындағы симметрияның бұзылуы бізді қоршап, көзге көрініп тұрған толып жатқан денелер, құрылымдар мен жүйелердің пайда болуына әкеліп соқты. Осылайша, физикалық өзара ара - қатынастардың түрлерінің арасындағы симметрияның бұзылуы арқылы тек қана микро - және макрообъектілердің ғана емес, бұлардан түзілетін даму процесінің микроскопиялық және макроскопиялық тармақтарының өзара тығыз байланысты эволюциясы мүмкін болды.

Микроэволюция макроэволюцияның дамып, кеңеюіне  жағдай жасады. Жарылыстан кейін шамамен 700000 жыл өткеннен кейін гравитациялық күштердің ядролық күштермен симметриясының бұзылуы нәтижесінде олардың босанып шығуы жұлдыздар, галактикалар, олардың жиынтықтары мен түрлі ғарыштық жүйелердің түзілуіне әкеп соқты. Осымен қоса гравитациялық күштер мен толқын күштері жұлдыздардың ішінде, галактикалардың ядролары мен олардың жиынтықтарында ядролық реакциялардың түзілуіне және жүруіне жағдай жасады. Яғни, микро - және макроэволюциялар бірін-бірі толықтырып, дамытып отырды, сондықтан да олар бір процестің екі тармағы тәрізді. Осы жерден бізге физикалық, химиялық, геологиялық және басқа да жүйелердің шексіз эволюциясы жер мен ғарыш эволюциясының әр бөліктерін құрайтындығы түсінікті болады.
Эйнштейн өзінің салыстырмалылық теориясының мәнін бір-екі сөзбен түсіндіріп беруін өтінген бір журналистке: “Бұрын егер Әлемдегі барлық материя жойылса, онда кеңістік пен уақыт сақталып қалады деген көзқарастың болғандығы белгілі, ал салыстырмалылық теориясы бойынша материямен бірге кеңістік пен уақыт та жойылып кетеді деп тұжырымдалады” – деп жауап бергендігі белгілі.  Бұл тұжырымды Ғаламның ұлғайып бара жатқан моделіне қатысты айтатын болсақ, Ғалам пайда болғанша уақытта, кеңістік те болған жоқ деуге әбден болады.

Дереккөздер
1. Р.А. Мирзадинов Жаратылыстану концепциялары оқулығы

Санат:Материя