6.2.4. Сценарий развития Вселенной после Большого Взрыва

Рассмотрим один из многих возможных сценариев развития событий по модели БВ и горячей Вселенной. Сразу после БВ 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. В этом сцена­рии взаимосвязь между плотностью, абсолютной температурой и временем жизни Вселенной выражается формулами:

800 000 Р = ₁² '

где р (г/см³) — среднее значение плотности материи во Вселен­ной в момент времени t (с) от начала расширения; Т — в Кель­винах.

Предполагается, что качественный состав элементарных час­тиц, образовавших новую Вселенную, менялся при ее расшире­нии. Когда Вселенной «исполнилось» Ю^-43 с, все фундаменталь­ные взаимодействия в Природе были объединены и имели оди­наковую интенсивность. Через Ю^-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 Ю^-2 с после БВ 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. Однако фотонам не хватало энергии, чтобы образовать элект- рон-позитронную пару, поэтому излучение преобладало над ве­ществом (эпоха излучения).

Через приблизительно 100 с после БВ 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 БВ 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 БВ 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 (РИ), о котором мы уже говорили. Таким образом, РИ не­сет информацию о молодой Вселенной, когда ей исполнился «всего» 1 миллион лет. Любопытное сравнение и анализ проис­хождения Вселенной по модели БВ и согласно Библии приводит Дж. Шрёдер [27].

Теперь в рамках модели расширяющейся Вселенной можно построить схему физической истории Вселенной (рис. 6.1).

Энергия, ГэВ

Планковское время

Теория

великого

объединения

Электрослабая модель

Кварк-лептонный <бульон I

10° 1

К ев X X ев

10"

Н Я а

05 «

Ю⁷1

10"

Удержание

кварков „

Вымораживание слабых

взаимодействий Адроны?\. Вымораживание

чептоны _ч ядерных

I |\взаимодсйствий

НУклео- N. Вымораживание синтез электромагнитных

Эпоха ^^взаимодействий фотонов

I

4-

-43

10

Галактики, звезды

4-

_ш-35 _ш-12 ₁₀-6 _{1с Змин 10}¹⁵_лет

Рис. 6.1. Схема физической истории Вселенной.

18.

10

10^,41

к

я

ев Н к

CQ

ев

10

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 БВ в целом оправдывает доверие научного мира, за исключением первых мгновений эволюции Вселенной, но не может объяснить конкретную причину БВ — 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.

rv-12

6.2.5. Модель раздувающейся Вселенной

Частично эти вопросы снимает еще одна современная модель — сценарий раздувающейся Вселенной (РВ). 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 Ю^-43 до Ю^-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 БВ. 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.*¹³

По некоторым современным моделям 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 упомянутый уже нами Я. Б. Зельдович: «Понятие классической космологической сингу­лярности должно быть существенным образом заменено кванто- во-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 флуктуаций 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 РВ 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» [113].

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, размерности материального мира, носителя мышления, т.е. нас самих, и все это без представления, как это сделать! [32, 55, 78] Следует отметить, что, может быть, поэтому свернута программа CETI или SETI (Search for Extra- terres Intelligence) [55] поиска связи с другими «разумными» ци­вилизациями. Нужны иные принципиальные подходы, до кото­рых человечество на Земле, видимо, не доросло. Но, как сказал еще Б. Паскаль, «вечное молчание этого бесконечного пространст­ва (Вселенной) потрясает меня».