Unit 5

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ

Загадка рождения и смерти Вселенной одна из самых волнующих проблем в науке, сравнимая по важности с загадкой возникновения жизни. Согласно теории “большого взрыва”, которая широко принята сегодня астрономами, Вселенная родилась в некоторое время t = 0 около 15 миллиардов лет назад, в состоянии бесконечно высокой температуры и бесконечной плотности энергии. Огненный шар расширялся и охлаждался, со своей энергией, превращающейся в частицы, которые дали начало материи, из которых образовались все звёзды и планеты.

Космологи смогли сделать наброски широких очертаний эволюции Вселенной от состояния огненного шара до сегодняшнего дня. Результирующей стандартной модели Вселенной только примерно 20 лет: в середине 1960х годов открытие космического микроволнового фонового излучения, наконец, убедило астрономов и физиков, что “большой взрыв” действительно был. Это было в 1965 году, когда Арно Пензиас и Роберт Вильсон в Исследовательской лаборатории “Бэлл” открыли слабый радиационный шум с температурой около 3 кельвинов, который кажется, заполняет всю Вселенную. Вскоре это было объяснено как остатки огненного шара, из которого родилась Вселенная. Но хотя очертания стандартной модели казались удовлетворительными, существовало несколько остающихся проблем, которые беспокоили многих космологов в течение 1970х годов. Самые важные из этих проблем были:

Проблема сингулярности. Состояние бесконечной плотности и нулевого объёма во время t = 0 называется сингулярностью. Каждый может поинтересоваться, что было до сингулярности? – или задать его другим образом, откуда появилась сингулярность? Что является началом Вселенной? Стандартная модель космологии в 1960х и 1970х годах не предприняла ни одной попытки ответить на этот вопрос, а начала от положения очень высокой плотности энергии через долю секунды после момента создания.

Проблема плоскости. Согласно главной теории относительности, развитой Альбертом Эйнштейном, геометрия нашей Вселенной может быть различна от Евклидовой геометрии до плоского пространства: Вселенная может быть открытой, в случае чего параллельные линии расходятся друг от друга, или она может быть закрытой, таким образом, что поверхность сферы замкнута, поэтому параллельные линии пересекают друг друга как линии меридианов на Земном шаре. Всё наблюдательное свидетельство в том, что наша Вселенная достаточно закрыта, чтобы быть плоской. Встаёт вопрос – почему наша Вселенная настолько плоская?

Проблема однородности и проблема галактик. Астрономические наблюдения также показывают, что наша Вселенная однородна на очень больших масштабах – материя одинаково распределена во Вселенной. Вселенная также изотропна; на огромном масштабе она одинаково выглядит во всех направлениях. Размер наблюдаемой вселенной примерно 10²⁸ см. В этом масштабе отклонение плотности материи от идеально ровного распределения достигает не более чем 1 к 10000. Однако в меньших масштабах Вселенная не однородна. Она включает в себя галактики, составленные из звёзд, скоплений галактик и сверхгалактик. Какие небольшие нарушения на ранней стадии истории Вселенной смогли произвести эти незначительные неоднородности в иначе очень ровной Вселенной?

Проблема измерения пространства – времени. Сегодня есть огромный интерес среди математиков в возможности того, что пространство может иметь более трёх измерений. В самой интересной из этих моделей пространство имеет 10 измерений (11-ое для времени), все кроме трёх из которых, сжаты в тоненькие трубочки. Но почему сжатие должно было остановиться на трёх эффективных измерениях пространства, а не на двух, пяти или на каком-нибудь другом числе?

Все эти проблемы (и некоторые другие, которые не приведены здесь) долгое время казались более метафизическими чем физическими загадками для философов, а не для учёных, чтобы обсуждать их. Большинство физиков не воспринимали эти проблемы всерьёз, считая, что наука никогда не смогла бы найти окончательные ответы на такие вопросы, или, по крайней мере, не для очень большого периода времени. Если стандартная теория модель космологии могла объяснить 15 миллиардов лет космической эволюции, не было большого интереса в том, что теория не могла объяснить, что произошло во время первой миллисекунды. Но в недавние годы отношение физиков к этим метафизическим радикально изменилось. Это изменение в отношении началось, когда физики, изучающие взаимодействие элементарных частиц, начали выдвигать теории образа взаимодействия частиц в состояниях очень высокой плотности энергии, как при большом взрыве.