Гипотезы происхождения Вселенной

Вначале вакуум обладал неимоверно большой энергией и характеризовался высокой степенью симметрии. Другими словами, не существовало различия между силами взаимодействия элементарных частиц. Электромагнитные, слабые и сильные ядерные силы проявлялись всего лишь как части единого взаимодействия. В настоящее время энергия вакуума равна нулю и фундаментальные силы различаются по величине и типу, так что очень мало осталось от их первоначального единства. Каким же образом была нарушена исходная симметрия?

По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась после Большого взрыва, вакуум проходил через быструю последовательность изменений, называемых фазовыми переходами. Наиболее известны фазовые переходы, которые происходят в воде при ее охлаждении, когда она переходит из пара в жидкость и, наконец, в лед. Фазовые переходы можно описывать также в терминах нарушения симметрии: они часто переводят симметричные состояния в несимметричные. Например, кристалл - менее симметричное состояние по сравнению с жидкостью, поскольку жидкость "выглядит одинаковой" во всех направлениях, тогда как в кристаллической решетке различные направления не эквивалентны.

Никто не знает точно, сколько фазовых переходов произошло в "молодом" вакууме. Однако все они должны были протекать в течение первой секунды от начала расширения Вселенной. Так же, как и фазовые переходы в обычных средах, космологические фазовые переходы приводят к образованию дефектов. Внутри дефектов симметрия не нарушена, и ранний, более молодой вакуум остался в них как в ловушках. Различные теории элементарных частиц предполагают разные виды дефектов. Согласно некоторым теориям, дефекты должны существовать в виде поверхностей, в других - предсказываются линии или точки. Эти типы дефектов называют соответственно стенками доменов, струнами и монополями.

Таким образом, космические струны являются всего лишь одним из трех возможных типов "разрывов" в свойствах вакуума. Почему же в теории образования галактик выделяются именно они? Как это ни странно, но одна из причин заключается в том, что струны не так ярко себя проявляют, как другие типы дефектов. В соответствии с эйнштейновским соотношением между массой и энергией высокоэнергетический вакуум должен обладать огромной массой. Поэтому дефекты могут оказывать чрезвычайно сильное влияние на эволюцию Вселенной. В настоящее время одна-единственная стенка домена, простирающаяся в современной Вселенной, может иметь гораздо большую массу, чем все вещество во Вселенной вместе взятое, и привести к большему окучиванию галактик, чем это есть на самом деле. Хотя одиночный монополь может "ускользнуть" от регистрации, теории предсказывают существование монополей в огромном количестве. Если бы они существовали, то Вселенная буквально "кишела" бы ими, и не заметить их было невозможно. Тем не менее ни стенки доменов, ни монополи не обнаружены.

Космические струны также никто не видел, но физики и не считают, что их можно непосредственно наблюдать. Первая работа, посвященная космическим струнам, была написана в середине 1970-х годов английским космологом Т. Кибблом. Он исследовал, как струны могли бы образоваться в ранней Вселенной, и в работе 1976 года обсуждал некоторые вопросы их эволюции. В России данную проблему активно разрабатывал Я.Б. Зельдович. Он считал, что с помощью струн можно было бы объяснить клочковатость распределения вещества во Вселенной. Физические свойства струн оказались очень привлекательными и уникальными. Теория космических струн быстро стала как бы центром притяжения для физиков, подобно тому как сами струны якобы являются центром притяжения для звезд и галактик. На читателей обрушилась целая лавина работ по космическим струнам, хотя до сих пор не найдено прямое эмпирическое доказательство их существования. Но даже при отсутствии эмпирических данных физики смогли воссоздать более чем странные контуры свойств космических струн. Некоторые их свойства зависят от конкретной теории элементарных частиц, предсказывающей эти свойства, тогда как другие особенности являются общими для всех теорий.

Космические струны представляют собой тонкие трубки из симметричного высокоэнергетического вакуума. У них нет концов, они либо образуют замкнутые кольца, либо простираются до бесконечности. С точки зрения физики сущность струн определяется энергией вакуума, который в них заключен. Струны с наиболее симметричным вакуумом, в котором все виды взаимодействий - сильное, слабое и электромагнитное - объединены в одно, наиболее тонкие и массивные. Это - самые интересные объекты для космологии, поскольку именно они могли бы приводить к образованию галактик. Толщина этих струн равна примерно 10-30 см. Они поразительно массивны: один сантиметр такой струны должен весить 1016 тонн. Натяжение в струнах под стать их массе. Это натяжение заставляет замкнутые петли из струн энергично осциллировать со скоростью, близкой к скорости света. Например, кольцо длиной в световой год совершит одно колебание за время, чуть большее года. (Мера длины один световой год - это расстояние, которое проходит свет за один год).

Итак, еще одна экстравагантная гипотеза. Но сколь бы ни выглядела правдоподобной и привлекательной изложенная выше в общих чертах, следует относиться к ней трезво, отдавая полный отчет, что перед нами всего лишь очередное (старое, как мир!) овеществление математических отношений (то есть систематизированных в виде формул абстрактных понятий), наподобие уже рассмотренной выше субстанциализированной кривизны.

3.3 «Горячая и Холодная  Вселенная».

Принципиально новый этап в развитии современной эволюционной космологии связан с именем американского физика Г. А. Гамова (1904-1968), благодаря которому в науку вошло понятие горячей Вселенной. Согласно предложенной им модели «начала» эволюционирующей Вселенной «первоатом» Леметра состоял из сильно сжатых нейтронов, плотность которых достигала чудовищной величины — один кубический сантиметр первичного вещества весил миллиард тонн. В результате взрыва этого «первоатома» по мнению Г. А. Гамова образовался своеобразный космологический котел с температурой порядка трех миллиардов градусов, где и произошел естественный синтез химических элементов. Осколки первичного яйца — отдельные нейтроны затем распались на электроны и протоны, которые, в свою очередь, соединившись с нераспавшимися нейтронами, образовали ядра будущих атомов. Все это произошло в первые 30 минут после «Большого Взрыва».

Горячая модель представляла собой конкретную астрофизическую гипотезу, указывающую пути опытной проверки своих следствий. Гамов предсказал существование в настоящее время остатков теплового излучения первичной горячей плазмы, а его сотрудники Альфер и Герман еще в 1948 г. довольно точно рассчитали величину температуры этого остаточного излучения уже современной Вселенной. Однако Гамову и его сотрудникам не удалось дать удовлетворительное объяснение естественному образованию и распостраненности тяжелых химических элементов во Вселенной, что явилось причиной скептического отношения к его теории со стороны специалистов. Как оказалось, предложенный механизм ядерного синтеза не мог обеспечить возникновение наблюдаемого ныне количества этих элементов.

Ученые стали искать иные физические модели «начала». В 1961 году академик Я. Б. Зельдович выдвинул альтернативную холодную модель, согласно которой первоначальная плазма состояла из смеси холодных (с температурой ниже абсолютного нуля) вырожденных частиц — протонов, электронов и нейтрино. Три года спустя астрофизики И. Д. Новиков и А. Г. Дорошкевич произвели сравнительный анализ двух противоположных моделей космологических начальных условий — горячей и холодной — и указали путь опытной проверки и выбора одной из них. Было предложено с помощью изучения спектра излучений звезд и космических радиоисточников попытаться обнаружить остатки первичного излучения. Открытие остатков первичного излучения подтверждало бы правильность горячей модели, а если таковые не существуют, то это будет свидетельствовать в пользу холодной модели.

Почти в то же время группа американских исследователей во главе с физиком Робертом Дикке, не зная об опубликованных результатах работы Гамова, Альфера и Германа, возродила исходя из иных теоретических соображений горячую модель Вселенной. Посредством астрофизических измерений Р. Дикке и его сотрудники нашли подтверждение существования космического теплового излучения. Это эпохальное открытие позволило получить важную, ранее недоступную информацию о начальных порах эволюции астрономической Вселенной. Зарегистрированное реликтовое излучение есть не что иное, как прямой радиорепортаж об уникальных общевселенских событиях, имевших место вскоре после «Большого Взрыва» — самого грандиозного по своим масштабам и последствиям катастрофического процесса в обозримой истории Вселенной.

Таким образом, в результате астрономических наблюдений последнего времени удалось однозначно решить принципиальный вопрос о характере физических условий, господствовавших на ранних стадиях космической эволюции: наиболее адекватной оказалась горячая модель «начала». Сказанное, однако, не означает, что подтвердились все теоретические утверждения и выводы космологической концепции Гамова. Из двух исходных гипотез теории — о нейтронном составе «космического яйца» и горячем состоянии молодой Вселенной — проверку временем выдержала только последняя, указывающая на количественное преобладание излучения над веществом у истоков ныне наблюдаемого космологического расширения.

Глава 4. Современная наука о происхождении Вселенной.

В настоящее время еще нет всесторонне проверенной и признанной всеми теории происхождения крупномасштабной структуры Вселенной, хотя ученые значительно продвинулись в понимании естественных путей ее формирования и эволюции. С 1981 года началась разработка физической теории раздувающейся (инфляционной) Вселенной. К настоящему времени физиками предложено несколько вариантов данной теории. Предполагается, что эволюция Вселенной, начавшаяся с грандиозного общекосмического катаклизма, именуемого «Большим Взрывом», в последующем сопровождалась неоднократной сменой режима расширения.

Согласно предположениям ученых, спустя 10-43 секунд после «Большого Взрыва» плотность сверхгорячей космической материи была очень высока (1094 грамм/см кубический). Высока была и плотность вакуума, хотя по порядку величины она была гораздо меньше плотности обычной материи, а поэтому гравитационный эффект первобытной физической «пустоты» был незаметен. Однако в ходе расширения Вселенной плотность и температура вещества падали, тогда как плотность вакуума оставалась неизменной. Это обстоятельство привело к резкому изменению физической ситуации уже спустя 10-35 секунды после «Большого Взрыва». Плотность вакуума сначала сравнивается, а затем, через несколько сверхмгновений космического времени, становится больше ее. Тогда и дает о себе знать гравитационный эффект вакуума — его силы отталкивания вновь берут верх над силами тяготения обычной материи, после чего Вселенная начинает расширяться в чрезвычайно быстром темпе (раздувается) и за бесконечно малую долю секунды достигает огромных размеров. Однако этот процесс ограничен во времени и пространстве. Вселенная, подобно любому расширяющемуся газу, сначала быстро остывает и уже в районе 10-33 секунды после «Большого Взрыва» сильно переохлаждается. В результате этого общевселенческого «похолодания» Вселенная от одной фаза переходит в другую. Речь идет о фазовом переходе первого рода — скачкообразном изменении внутренней структуры космической материи и всех связанных с ней физических свойств и характеристик. На завершающей стадии этого космического фазового перехода весь энергетический запас вакуума превращается в тепловую энергию обычной материи, а в итоге вселенческая плазма вновь подогревается до первоначальной температуры, и соответственно происходит смена режима ее расширения.

Не менее интересен, а в глобальной перспективе более важен другой результат новейших теоретических изысканий — принципиальная возможность избегания начальной сингулярности в ее физическом смысле. Речь идет о совершенно новом физическом взгляде на проблему происхождения Вселенной.

Оказалось, что вопреки некоторым недавним теоретическим прогнозам (о том, что начальную сингулярность не удастся избежать и при квантовом обобщении общей теории относительности) существуют определенные микрофизические факторы, которые могут препятствовать беспредельному сжатию вещества под действием сил тяготения.

Еще в конце тридцатых годов было теоретически обнаружено, что звезды с массой, превышающей массу Солнца более чем в три раза, на последнем этапе своей эволюции неудержимо сжимаются до сингулярного состояния. Последнее в отличие от сингулярности космологического типа, именуемой фридмановской, называется шварцшильдовским (по имени немецкого астронома, впервые рассмотревшего астрофизические следствия энштейновской теории тяготения). Но с чисто физической точки зрения оба типа сингулярности идентичны. Формально они отличаются тем, что первая сингулярность является начальным состоянием эволюции вещества, тогда как вторая — конечным.

Согласно недавним теоретическим представлениям гравитационный коллапс должен завершиться сжатием вещества буквально «в точку» — до состояния бесконечной плотности. По новейшим же физическим представлениям коллапс можно остановить где-то в районе планковской величины плотности, т. е. на рубеже 1094 грамм/см3. Это значит, что Вселенная возобновляет свое расширение не с нуля, а имея геометрически определенный (минимальный) объем и физически приемлемое, регулярное состояние.

Академик М. А. Марков выдвинул интересный вариант пульсирующей Вселенной. В логической рамке этой космологической модели старые теоретические трудности, если не решаются окончательно, то, по крайней мере, освещаются под новым перспективным углом зрения. Модель основана на гипотезе, согласно которой при резком уменьшении расстояния константы всех физических взаимодействий стремятся к нулю. Данное предположение — следствие другого допущения, согласно которому константа гравитационного взаимодействия зависит от степени плотности вещества.

Согласно теории Маркова, всякий раз, когда Вселенная из фридмановской стадии (конечное сжатие) переходит в стадию деситтеровскую (начальное расширение), ее физико-геометрические характеристики оказываются одними и теми же. Марков считает, что этого условия вполне достаточно для преодоления классического затруднения на пути физической реализации вечно осциллирующей Вселенной.