§ 29. Походження й розвиток Всесвіту

1. Загальна теорія відносності — наріжний камінь моделі Всесвіту. Всі подання про будову й виникнення Всесвіту, які були складені до 20-м років XX в., можна вважати теоретичними припущеннями, тому що інформації отриманої в результаті спостережень, було дуже мало. І все-таки на підставі цих даних повільно вимальовувалася картина будови Всесвіту. Досліджуючи фізичні явища, аналізуючи механіку Галілея й Ньютона, Ейнштейн сформулював теорію відносності, якій було призначено здійснити дійсний переворот у фізиці. _; Теорія відносності виходить із того факту, що всі виміри й зміни в просторі й часі відносні й залежать від конкретного спостерігача. Вони гублять абсолютне значення, а сама структура простору-часу визначається тим або іншому розподілу мас у Всесвіті. У різних частинах Всесвіту простір по-різному скривлений, і час протікає з різною швидкістю.

В загальної теорії відносності (ЗТВ) Ейнштейна гравітація - не сила, а тільки прояв кривизни простору-часу. Тіла рухаються по скривлених траєкторіях не тому, що на них діє сила гравітації, вони рухаються найкоротшим, «найшвидшим» шляхом.

А скривлюють простір-час матеріальні тіла, подібно тому, як масивна кулька прогинає натягнуту плівку.

Матерія, по Ейнштейну, не занурена в незалежне від неї простір-час, а нерозривно пов'язана з ним й, більше того, визначає його параметри. Звичайно, може так відбутися, що через деякий час положення ВТЕ будуть відхилені в результаті більше зроблених експериментів, але поки що, на рубежі тисячоріч вона є наріжним каменем моделі Всесвіту.

2. На самому початку... В 1922 р. німецький журнал «Цайтшріфт фюр фізик» надрукував статтю радянського вченого А. Фрідмана, у якій він аналізував космологічну теорію Ейнштейна. На відміну від Ейнштейна, що відстоювали стаціонарність Всесвіту, Фрідману вдалося показати, що речовина у Всесвіті не може перебувати в стаціонарному стані, і Всесвіт із часом змінюється.

За теорією Фрідмана можливі три варіанти розвитку Всесвіту: Всесвіт закритий, відкритий й пульсуючий. Всі ці варіанти поєднує одне твердження: у якийсь момент часу (10 або 20 млрд років тому) відстань між сусідніми об'єктами Всесвіту повинна була бути рівною нулю. У цей момент, що називається Великим Вибухом, Всесвіт являв собою як би точку з нескінченно великою щільністю, що математики називають сингулярною. У цій точці всі сучасні закони фізики не застосовні, а тому її можна розглядати як математичний образ нової фізичної реальності.

У теоретичному плані сингулярність відображає «особливий» фізичний стан, у якому густина речовини, кривизна простору-часу й температура нескінченні: вся надгаряча космічна матерія буквально зібрана в точку. Процес переходу космічної матерії із цього «точкового» стану в стадію катастрофічного розширення і є Великим Вибухом. Із цього моменту починається історія нашому Всесвіту. Що передувало Великому Вибуху - невідомо, тому що людський розум поки неспроможний підняти завісу над таємною початковою сингулярністю.

3. Історія дуже раннього Всесвіту. У момент Великого Вибуху розміри Всесвіту були близькими до нуля, менше 10 ^-33 с, а всі чотири фундаментальні сили природи — гравітаційна, характерна для кожного тіла й залежна від його маси або енергії, електромагнітна, об'єднуюча електрично заряджені частки, слабка, характерна для всепроникаючих нейтрино, і сильні, об'єднуючі протони й нейтрони в ядрі атома, — були об'єднані.

Нині теоретики відлік часу починають із 10^-43 с. У цей час, по припущеннях, гравітація відокремлюється від трьох інших фундаментальних сил, а вони при неймовірно високій енергії утворюють єдину силу.

Період від 10 ⁴³ с до 10³⁵ з називається епохою Великого об'єднання. До кінця цієї епохи, по теоретичних міркуваннях, деякі області Всесвіту охолонули й перебували в особливому стані, що називається псевдовакуумом або «помилковим вакуумом».

У звичайному розумінні вакуум — це порожній простір, у якому практично відсутні будь-які часточки. Фізичний, реальний вакуум не порожньої. Він заповнений полями й віртуальними частками, які час від часу матеріалізуються.

Таке поняття вакууму ввів у науку англійський фізик П. Дірак (1902 - 1984). Звичайних часток у такому вакуумі насправді ні,

але існує велика кількість інших - віртуальних (англ. - «можливих»). Ці часточки виникають із «нічого», з порожнечі, здобуваючи скороминуще буття, перш ніж знову зникнути. І як би ми не прагнули спустошити простір, у ньому завжди будуть присутні безліч таких часточок.

Таким чином, вакуум представляється не безликим і позбавленим життя, а сповненим енергії й нестримного творення. Час життя віртуальних часток надзвичайно малий (наприклад, для віртуального електрона з масою 10^-27 г воно дорівнює 10^-21 с, а для віртуального протона - 10^-24 с).

Такий вакуум називають квантовим. Фізики встановили, що він може мати дивні властивості. Наприклад, виробляти необмежену кількість енергії або мати негативний тиск.

Отже, у першу мить народження Всесвіту відштовхування переважало над гравітаційним тяжінням, під дією антигравітаційних сил вакууму й почалося його розширення. Воно відбувалося так стрімко, що одержало спеціальну назву - роздування або інфляція. Саме одна з областей вакууму, що пройшла фазу інфляції, і яка спочатку була набагато менше протона, а за мить досягла розмірів апельсина, і стала маленьким Всесвітом.

Кожні 10^-34 с Всесвіт подвоював свої розміри - роздування йшло вибухообразно. А це і є Великий Вибух!

Однак стан псевдовакуума хитливий. Коли він зникає, закінчується й інфляційне роздування. Миттєво перейшовши в стан звичайної для нас гравітаційної взаємодії в момент 10^-35 с, Всесвіт продовжував розширюватися по інерції, за рахунок поштовху, отриманого в період інфляції.

Величезний запас потенційної енергії псевдовакуума, величина якого не зменшувалася при роздуванні, під час фазового переходу Всесвіту з переохолодженого стану виділився у вигляді випромінювання. Температура миттєво зросла до значення 10²⁷ К і сильна взаємодія відокремилася від слабкої й електромагнітної. Із цього моменту почалася історія гарячого Всесвіту.

Тоді ж виникла асиметрія в кількості часток й античастинок. У момент 10^-10 с при температурі 10¹⁵ К почали утворюватися важкі елементарні частки — протони, нейтрони й відповідні їм античастинки. При цьому антипротонів й антинейтронів у ранньому Всесвіті виявилося трохи менше, ніж протонів і нейтронів. Цей факт має надзвичайно важливе значення, адже, важкі частки входять до складу атомних ядер хімічних елементів. І якби часток було нарівно, те після їх анігіляції жодного атомного ядра не змогло б утворитися, і того Всесвіту, що ми знаємо, не існувало б.

Якийсь час Всесвіт перебував у рівноважному стані. Відбувалося народження й анігіляція часток з античастинками з виділенням енергії у вигляді квантів світла. Але розширення тривало, температура знижувалася, і масивних часток утворювалося усе менше. Згодом кількість анігіляції перевищило кількість народжених часток, всі античастинки знайшли собі пару й анігілювали, перетворившись у кванти світла, а часточки без пари залишилися - одна на мільярд квантів! У Всесвіті залишилася тільки речовина, а антиречовина зникла.

4. Ранній Всесвіт. На певному етапі розвитку Всесвіту температура знизилася настільки, що пари масивних часточок

зовсім перестали утворюватися. Енергії вистачало лише на народження легких часток — лептонів.

Почалася ера лептонів. Через 10^-4 с Всесвіт став схожий на густий суп, у якому випромінювання (фотони) було перемішано з лептонами (в основному електронами, позитронами, нейтрино й антинейтрино), протонами й нейтронами. У цей період зв'язані до цього моменту нейтрино вивільнилися й розлетілися в просторі. Через одну секунду після Великого Вибуху, коли температура знизилася до 10 млрд К, почалася анігіляція електронів і позитронів з виділенням колосальної кількості фотонів. Цей процес тривав 9 с.

Через 10 с після початку Великого Вибуху, коли випромінювання вже переважало над речовиною, - почалася ера випромінювання.

Саме на цьому етапі при температурі 1 млрд К почався космологічний нуклеосинтез :- утворення ядер гелію, другого після водню по поширеності у Всесвіті хімічного елемента. Розрахована теоретично концентрація гелію (25%) збігається з даними астрофізичних спостережень. Цей процес тривав близько 200 хв.

Через 1 млн років, при подальшому розширенні й охолодженні речовини до температури 3 000 К, у результаті об'єднання електронів і протонів утворилися атоми водню - найпростішого й найпоширенішого хімічного елемента у Всесвіті. Випромінювання відокремилося від речовини й у вигляді фотонів розлетілося в просторі. Всесвіт став прозорим. Наступила наступна ера в історії Всесвіту - ера речовини, що триває дотепер.

5. Реліктове випромінювання. Випромінювання, що виникло на ранніх етапах розвитку Вселеної, повинне й зараз перебувати в ній у вигляді фонового космічного або реліктового випромінювання. От тільки відтоді через тривале розширення воно значно остудилося й, по розрахунках, повинне мати температуру близько 3 К.

Ще в 40-х роках XX в. Г. Гаморів висловив припущення про існування реліктового випромінювання. А в 1965 р. А. Пензіас і Р. Вілсон зареєстрували радіовипромінювання, інтенсивність якого з точністю до 0,1% не залежала від орієнтації антени радіотелескопа. Його інтенсивність була однакової й удень, і вночі, і протягом року. Це означало, що джерело випромінювання перебуває за межами Сонячної системи й навіть за межами Галактики.

Був зроблений висновок про те, що це - ніщо інше, як реліктове випромінювання, передвіщене Гамовим. Його температура виявилася рівною 2,73 К, що близько до теоретично розрахованої величини. Максимум у спектрі реліктового випромінювання доводиться на міліметрову область радіодіапазону. Таким чином, гіпотеза «гарячого» Всесвіту одержала підтвердження в ході спостережень.

6. Народження галактик. Після того як випромінювання відокремилося від речовини, Всесвіт складався із суміші атомів і випромінювання, тобто був наповнений гарячим газом. Можливо цей газ не був абсолютно однорідним. Можливо, у ньому були ущільнення й розрідження. Це питання залишається нез'ясованим до кінця.

Необхідно врахувати, що зі збільшенням щільності згустку речовини зростає сила гравітації, що впливає на нього. Тому будь-яка неоднорідність речовини має тенденцію до нарощування. Згодом такі ущільнені хмари відокремилися одна від іншої й припинили

свою участь у розширенні. Гравітація міцно втримувала кожне з них групою, а розширення проявлялося в збільшенні відстані між ними.

Величезні згустки дробилися на більш дрібні, кожен з яких продовжував ущільнюватися. З таких згустків через 1 млрд років після Великого Вибуху й утворилися надскупчення, скупчення галактик, окремі галактики, а в галактиках - окремі зірки.

Цей сценарій утворення й розвитку Всесвіту підтверджується такими спостережливими даними.

• Наявність реліктового випромінювання як своєрідна луна моменту поділу випромінювання й речовини.

• Процентний вміст гелію в речовині, що відповідає розрахованому по теорії Великого Вибуху (25% гелію й 75% водню в загальній масі).

• Однорідність й ізотропність простору в великих масштабах (100 Мпк).

• Наявність неоднорідностей у невеликих масштабах як наслідок флуктуації густини речовини на початку розвитку Всесвіту.

• Співвідношення між випромінюванням і речовиною (між кількістю фотонів й окремих часток).

1. Що таке епоха великого об'єднання?

2. 2.Яка дивна властивість вакууму, відповідно до сценарію розвитку

3. Всесвіту, зіграла вирішальну роль у його створенні?

4. Що таке реліктове випромінювання?

5. Чому вміст гелію в речовині підтверджує правильність моделі «гарячого» Всесвіту?

У підсумку вивчення теми VII «БУДОВА Й ЕВОЛЮЦІЯ ВСЕСВІІТУ»

необхідно знати:

• Спостерігається взаємне видалення скупчень галактик, що пояснюється розширенням Всесвіту.

• Відповідно до сучасних наукових подань, існує абсолютний горизонт — відстань, за яку ми не можемо «зазирнути».

• Всесвіт виник з фізичного вакууму, і його подальша доля залежить від значення середньої густини речовини.