Основы современных представлений о строении и эволюции Вселенной

2.3.Расширяется или сжимается Вселенная?

Если считать, что эксперименты подтверждают нынешнее расширение Вселенной, то будет ли она продолжать расширяться и дальше? Общая теория относительности предполагает следующий ответ на этот вопрос. Считается, что существует некая критическая масса Вселенной. Если действительная масса Вселенной меньше критической, гравитационного притяжения вещества во Вселенной будет недостаточно, чтобы остановить это расширение, и оно будет идти и дальше. Если же действительная реальная масса больше критической, то гравитационное притяжение в конце концов замедлит расширение, приостановит его и затем приведет к сжатию. В этом случае Вселенную ожидает коллапс, в результате которого вновь образуется сгусток, возникнут условия для нового Большого Взрыва и последующего потом расширения. Следовательно, Вселенная может пульсировать между состояниями максимального расширения и коллапса. Это и есть модель пульсирующей Вселенной.

Что дают эксперименты? Они, конечно, очень не простые, скорее оценочные, т.к. кроме определения массы Вселенной в виде вещества и энергии, в звездах, галактической пыли и газе, необходимо учитывать вещество и в межгалактическом пространстве. Прямые эксперименты затруднены тем, что межгалактический водород почти полностью ионизован излучением галактик и квазизвездных объектов (квазаров). Поэтому для регистрации ионизированного водорода необходимы рентгеновские методы измерения и вне пределов атмосферы Земли, чтобы избежать поглощения. Как показывают измерения с помощью ракет и спутников, а также предварительные расчеты, полная масса Вселенной с учетом межгалактического вещества значительно превышает критическую. Это означает, что модель пульсирующей Вселенной как будто подтверждается. Получается, что мы живем в такой Вселенной, которая взрывается, расширяется и снова сжимается примерно каждые 80 миллиардов лет.

Рассмотрим предполагаемый сценарий поведения горячей Вселенной, расширяющейся после своих родов во время Большого Взрыва. Известный наш теоретик, занимавшийся в том числе и астрофизикой, Я. Б. Зельдович (1914—1987) заметил, что теория Большого Взрыва в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. По его мнению, она столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени и обе они имели много противников, утверждавших, что новые идеи, изложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Однако вспомним определение Эйнштейном здравого смысла!

Успех модели расширяющейся Вселенной связан не только с экспериментальными подтверждениями, о которых мы говорили ранее, но и с тем, что, как оказалось, физикой микромира, в том числе с помощью физики элементарных частиц, можно непротиворечиво объяснить поведение «ранней» Вселенной, после 0,01 с от Большого Взрыва. Недавно возникла новая наука — космомикрофизика. В космомикрофизике объединяются не только космологические модели Большого Взрыва, расширяющейся и пульсирующей Вселенной, а также и физика фундаментальных частиц, но и понятия устойчивости—неустойчивости материи, ее симметрии— асимметрии, самоорганизации и эволюции. И модель горячей Вселенной представляет ее как котел кипящих элементарных частиц.

2.4.Сценарий развития Вселенной после Большого Взрыва

Рассмотрим один из многих возможных сценариев развития событий по модели Большого Взрыва и горячей Вселенной. Сразу после Большого Взрыва Вселенная представляла собой сингулярность — область с очень высокой плотностью энергии из элементарных квантов электромагнитного излучения огромных энергий со взаимными превращениями. Приблизительно через 1 с Вселенная стала расширяться с уменьшением плотности и температуры. При предполагаемых громадных плотностях (~1025 г/см3) и температурах (~1016К) вещество состояло только из элементарных частиц — протонов и нейтронов. Частицы движутся так быстро, что при столкновениях образуются парами новые частицы (частица— античастица). Чем выше температура Вселенной, тем более тяжелые частицы могут рождаться при столкновениях.

Предполагается, что качественный состав элементарных частиц, образовавших новую Вселенную, менялся при ее расширении. Когда Вселенной «исполнилось» 10-43 с, все фундаментальные взаимодействия в природе были объединены и имели одинаковую интенсивность. Через 10-23 с возникли тяжелые фундаментальные частицы - кварки и антикварки. По мере уменьшения температуры и роста времени за счет аннигиляции число пар этих тяжелых частиц уменьшилось, затем они быстро исчезали. Далее еще через 10-2 с после Большого Взрыва наступает время легких частиц (лептонов). Вселенная как бы «омолодилась» и практически состояла из лептонов и излучения (квантов). Затем от ~1 до 10 с Вселенная, продолжая расширяться, потеряла и эти частицы, которые при аннигиляции превратились в фотоны. Этим фотонам же не хватало энергии, чтобы образовать электрон-позитронную пару, поэтому излучение преобладало над веществом (эпоха излучения).

Через приблизительно 100 с после Большого Взрыва температура Вселенной упала до 109 К, и скорости оставшихся протонов уменьшились настолько, что за счет ядерных сил притяжения они начали соединяться в ядра легких элементов, в основном гелия, затем лития и бериллия. По прошествии нескольких часов после Большого Взрыва образование этих ядер закончилось. Этот период эволюции называется временем нуклеосинтеза. Далее в течение миллионов лет Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться. При этом энергии фотонов были значительно больше сил связи электронов и ядер, и поэтому атомы не могли образоваться. Затем при уменьшении температуры до 104 К энергия электромагнитного притяжения ядра и электрона стала больше энергии фотонов, и тогда начали образовываться атомы. Фотоны перестали взаимодействовать с веществом, как говорят космологи,— Вселенная стала прозрачной. С момента Большого Взрыва до наших дней реликтовое излучение заполняет нашу Вселенную. За это время температура упала с 104 К до 3 К в наше время. Это и есть реликтовое излучение, о котором мы уже говорили. Таким образом, реликтовое излучение несет информацию о молодой Вселенной, когда ей исполнился «всего» 1 миллион лет.

Теперь в рамках модели расширяющейся Вселенной можно построить схему физической истории Вселенной.

В начальный период времени прозрачная Вселенная была однородным «бульоном» из элементарных частиц, ядер, атомов и фотонов. Затем флуктуационно возникают области, где плотность материи несколько выше. Это, в свою очередь, приводит к увеличению гравитации в этих областях, а значит, к отставанию этих областей от общего темпа расширения Вселенной. Атомы и частицы в этих областях за счет уменьшения объема испытывали большое число столкновений, газ разогревался, возникали термоядерные реакции. Давление внутри области возрастало, область переставала сжиматься.

Сценарий Большого Взрыва в целом оправдывает доверие научного мира, за исключением первых мгновений эволюции Вселенной, но не может объяснить конкретную причину Большого Взрыва — причину «первотолчка», не дает ответа, почему мощность взрыва была именно такой, какой была, — не больше, и не меньше. Теория не может также объяснить причину крупномасштабной однородности Вселенной, но одновременно в меньших масштабах допускает наличие в прошлом отклонений от однородности, которые и привели впоследствии к возникновению галактик. При этом предполагается, что расширение происходит с большой степенью однородности и изотропности, а удаленные друг от друга неоднородности причинно между собой не связаны.

2.5.Модель раздувающейся Вселенной

Частично эти вопросы снимает еще одна современная модель — сценарий раздувающейся Вселенной. Раздувание идет экспоненциально, со скоростью, значительно большей скорости света. Объяснение этому парадоксальному выводу таково, что это был еще не наш мир со стандартным набором мировых констант, а сингулярность с квантовой гравитацией. Это модель хаотического раздувания в период времени от 10-43 до 10-32 с, и она носит также название «инфляционной Вселенной». Суть ее в том, что внутри быстро расширяющейся, перегретой Вселенной небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширяться сильнее, подобно тому как переохлажденная вода стремительно замерзает, расширяясь при этом. Это фаза быстрого расширения позволяет устранить некоторые проблемы, присущие стандартным теориям Большого Взрыва. Поскольку раздувающаяся, расширяющаяся Вселенная является принципиально открытой системой, то о возрастании энтропии в ней говорить не имеет смысла и тем самым снимается проблема тепловой смерти Вселенной. Эта модель связана с понятием вакуума. Согласно этим идеям Вселенная начала свою жизнь из состояния вакуума, лишенного вещества и излучения. Заметим, что проблема вакуума сейчас становится одной из центральных в физике.

По современным представлениям вакуум — особый тип физической реальности, наиболее фундаментальное состояние материи, особое «ничто», скрытое бытие, потенциально содержащее всевозможные виртуальные частицы и при сообщении энергии этому вакууму из него можно извлечь любые реальные частицы и объекты, в том числе не только нашу Вселенную, но и другие Вселенные. Как показывают теоретики, в вакууме происходит нарушение симметрии и поэтому виртуальные частицы, которые там могут быть и вылетать из него, тоже асимметричны. В синергетическом понимании эти виртуальные элементарные частицы являются продуктами самоорганизации физического вакуума. Считается, что в вакууме вместе с увеличением плотности энергии возникают натяжения подобно тем, что возникают в твердом теле при деформации. Эти натяжения адекватны отрицательному давлению, которое и может служить первотолчком, приведшим к раздуванию. В одной из моделей вакуума предполагается, что вакуум как бы перегретая жидкость и является резервуаром энергии, которая как раз и может реализоваться затем в резком и за короткое время расширении, раздувании Вселенной. Это и есть так называемая инфляционная модель образования нашей Вселенной. В этой модели предполагается и подтверждается данными наблюдательной астрономии последних лет, что Вселенная родилась 15—18 миллиардов лет назад из вакуума путем спонтанного (самопроизвольного) нарушения его симметрии. Получается, что Вселенная как бы самозародилась. Конечно, это выглядит несколько парадоксально: чем не Божественное сотворение Мира?

Вот, что говорил по этому поводу Я. Б. Зельдович: «Понятие классической космологической сингулярности должно быть существенным образом заменено квантово-гравитационным процессом, описывающим рождение нашего мира. Предполагается, что в начальном состоянии не было ничего, кроме вакуумных колебаний всех физических полей, включая гравитационное. Поскольку понятия пространства и времени являются существенно классическими, то в начальном состоянии не было реальных частиц, реального метрического пространства и времени. Считаем, что в результате квантовой флуктуации и образовалась трехмерная геометрия... Кроме того, на этой стадии из вакуумных флуктуации негравитационных полей рождаются флуктуации плотности вещества, которые значительно позже, в близкую нам эпоху, приводят к образованию скоплений галактик, нашей Галактики, звезд и в конечном итоге планет и самой жизни».

Стоит также отметить, что модель раздувающейся Вселенной еще раз обращает нас к глобальной мировоззренческой проблеме — проблеме множественности миров. В частности, один из создателей этой модели раздувающейся Вселенной А. Д. Линде отмечает: «Привычный взгляд на Вселенную как на нечто в целом однородное и изотропное сменяется представлением о Вселенной островного типа, состоящей из многих локально-однородных и изотропных минивселенных, в каждой из которых свойства элементарных частиц, величина энергии вакуума и даже размерность пространства могут быть различны».

В этом смысле можно уже по другому взглянуть на проблему жизни «разумных» существ в других Вселенных. Исходя из развитых выше соображений, они могут иметь совершенно иные физические свойства и взаимодействовать (говорить) на совершенно других языках без принципиальной возможности перевода. И дело здесь не в изменении нашего мышления для понимания другой Вселенной, а в изменении структуры, пространственной ориентировки, размеренности материального мира, носителя мышления, т. е. нас самих, и все это без представления, как это сделать! Можно отметить, что, может быть, поэтому свернута программа CETI поиска связи с другими «разумными» цивилизациями. Нужны иные принципиальные подходы, до которых человечество на Земле. Видимо не доросло. Но. Как сказал Б. Паскаль, «вечное молчание этого бесконечного пространства (Вселенной) потрясает меня».

3.Из чего же состоит вещество Вселенной?

Так из чего же все-таки состоит вещество Вселенной? Как ни странно, теоретическая физика, с точки зрения теории элементарных частиц с ее строгим математическим аппаратом и достаточно адекватными моделями, отвечает, что тем не менее до 90% вещества Вселенной находится в неизвестном нам состоянии. Установлено, что протоны и нейтроны образуют либо ядра различных атомов, либо громадные скопления нейтронных звезд. Поэтому в рамках «стандартной модели» кварков формы стабильной материи рассматриваются в виде двух групп: ядра атомов, имеющие массу не более 300 атомных единиц, и нейтронные звезды, также имеющие структуру ядра (т.е. состоит из нейтронов и протонов), но с массой, в 1054 раз большей. Эти группы разделены огромным пробелом, состоящим предположительно из так называемой «странной» материи, в котором, может быть, находится до 90% всей массы Вселенной.

Возможность существования такой странной материи в кварковой модели строения вещества отчасти подтверждается выводом из наблюдения дальних галактик о том, что многие космологические объекты нельзя наблюдать обычными астрофизическими методами. Это связано, в частности, с тем, что гравитационные поля видимых звезд или скоплений звездной пыли, вероятно, не достаточны для создания условий их движения по наблюдаемым нами траекториям. Имеется как бы «скрытая» от наблюдателя масса. Э. Уитмен в 1984 г. высказал предположение, что эта «скрытая» масса состоит из материи, содержащей упомянутый уже 5-кварк (странный кварк). Предполагают, что эта материя из странных кварков возникла в течение первой миллионной доли секунды после Большого Взрыва, причем диаметр таких образований составлял от 10-7 до 10 см, масса — от 109 до 1018 г, а число кварков – от 1033 до 1042. Из-за малых размеров и огромной плотности вещества (для примера: теннисный мяч из такой материи весил бы 1012 тонн) это вещество не проявляет себя в видимом диапазоне световых волн.