Как возникла наша Вселенная? Каково происхождение материи, энергии и пространства-времени, сформировавших Вселенную? Является ли ее форма неизмеримой? Эти и многие другие вопросы, связанные с исследованием основ мироздания, будоражат умы не только ученых, но и людей, далеких от науки, уже многие века, ведь для развития космологии, да и науки в целом, крайне важно понимание Вселенной как единого целого. Важную роль играют экспериментальная проверка абстрактных теорий, подтверждение их наблюдательными данными, осмысление и сопоставление результатов исследований. Сейчас мы находимся на пути, который, вероятно, ведет нас к познанию тайны рождения и жизни Вселенной.
В своей работе я бы хотела затронуть чрезвычайно важные и невероятно интересные области физики, в которых пока больше вопросов, чем ответов: астрономию и космологию. Заранее осознавая, что это будет нелегко, постараюсь изложить материал языком, доступным и понятным любому старшекласснику.
Приступая к работе над проектом, ставлю перед собой следующие задачи:
изучить гипотезу о физическом состоянии и законе расширения Вселенной на ранней стадии Большого взрыва;
выявить связь общей теории относительности с гравитационными волнами;
изучить историю исследования гравитационных волн;
изучить результаты исследования Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики от 17.03.2014;
обозначить практическую значимость и пользу данного исследования для фундаментальной физики;
обозначить ряд вопросов астрофизики, которые до сих пор остаются нерешенными.
Помимо всего прочего, с помощью этой работы мне бы хотелось углубить свои знания в области астрономии (которую я, надо сказать, знаю не очень хорошо), глубже понять теорию Большого взрыва, попытаться самостоятельно ее объяснить и просто поработать с тем материалом, который мне безумно интересен!
Инфляционная модель вселенной
Что было, когда ничего не было? Сама формулировка этого вопроса ставит меня в тупик. Однако исследователи космоса не боятся и не устают его себе задавать. Очевидно, что решение уравнений Эйнштейна невозможно продолжить в область отрицательного времени, и потому в рамках общей теории относительности вопрос «Что было до рождения Вселенной?» не имеет смысла. Что ж, так как современная наука пока не способна на него ответить, поговорим о том, что происходило некоторое время спустя после возникновения Вселенной. Доминирующий научный подход в космологии, называемый «инфляционной теорией», предсказывает, что сразу после рождения Вселенной пространство испытало огромное взрывное расширение, в результате которого оно увеличилось до нынешних размеров (и, возможно, даже дальше, чем мы сейчас можем наблюдать) с размера атома, и всё это произошло в пределах незначительных долей секунды. Инфляционная модель решает ряд проблем, которые стояли перед стандартной моделью, в частности проблему крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной. В соответствии с моделью горячей Вселенной, на начальных этапах своего существования она состояла из большого количества областей, никак не связанных причинно-следственными связями, однако наблюдения говорят о том, что Вселенная весьма однородна. В инфляционной модели скорость расширения Вселенной такова, что весь её наблюдаемый объём оказывается результатом расширения одной-единственной причинно-связанной области.
Инфляционная теория имеет долгую историю. Впервые теорию подобного типа предложил в 1979 году член-корреспондент РАН Алексей Александрович Старобинский. В этой работе ученый не объяснял, почему Вселенная большая, плоская, однородная и изотропная. Тем не менее, она имела многие важные черты инфляционной космологии.
В 1980 г. сотрудник Массачусетского технологического института Алан Гус в статье «Раздувающаяся Вселенная: возможное решение проблемы горизонта и плоскостности» изложил интересный сценарий раздувающейся Вселенной. Основным его отличием от традиционной теории Большого взрыва стало описание рождения мироздания в период с 10–35 до 10–32 с. Гус предположил, что в это время Вселенная была в состоянии так называемого «ложного» вакуума, при котором ее плотность энергии была исключительно велика. Поэтому расширение происходило быстрее, чем по теории Большого взрыва. Эта стадия экспоненциально быстрого расширения и была названа инфляцией (раздуванием) Вселенной. Затем ложный вакуум распадался, и его энергия переходила в энергию обычной материи.
Теория Гуса была основана на теории фазовых переходов в ранней Вселенной развитой Киржницем и Линде. К сожалению, после распада ложного вакуума в модели Гуса Вселенная оказывалась либо очень неоднородной (пузырьки новой фазы при столкновении рождали неоднородность), либо пустой, вследствие чего теория оказалась ложной; но даже несмотря на это, она сыграла свою роль: очередная неудача стимулировала разработку новых сценариев раздувающейся Вселенной.
В середине 1981 г. Линде предложил первый вариант нового сценария раздувающейся Вселенной. Он пришел к выводу, что в некоторых теориях экспоненциальное расширение не заканчивается сразу после образования пузырьков, так что инфляция может идти не только до фазового перехода с образованием пузырьков, но и после, уже внутри них. В рамках этого сценария наблюдаемая часть Вселенной считается содержащейся внутри одного пузырька. В новом сценарии Линде показал, что разогрев после раздувания происходит за счет рождения частиц во время колебаний скалярного поля. Таким образом, соударения стенок пузырьков, порождающих неоднородности, стали не нужны, и тем самым была решена проблема крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной.
Новый сценарий содержал два ключевых момента: во-первых, свойства физического состояния внутри пузырьков должны меняться медленно, чтобы обеспечивалось раздувание внутри пузырька; во-вторых, на более поздних стадиях должны происходить процессы, обеспечивающие разогрев Вселенной после фазового перехода. Спустя год исследователь пересмотрел свой подход, предложенный в новой инфляционной теории, и пришел к выводу, что фазовые переходы вообще не нужны, равно как переохлаждение и ложный вакуум, с которого начинал Алан Гус. Это был эмоциональный шок, т. к. предстояло отказаться от считавшихся истинными представлений о горячей Вселенной, фазовых переходах и переохлаждении. Необходимо было найти новый способ решения проблемы. Тогда была выдвинута теория хаотической инфляции.
Суть этой теории в следующем: Вселенная быстро расширялась, а скалярное поле (поле, в котором отсутствует разница потенциалов; представляет собой всего лишь функцию координат) почти не менялось; соответственно, не менялась и плотность энергии. Значит, расширение шло экспоненциально. Постепенно поле уменьшилось, постоянная Хаббла (постоянная, пропорциональная плотности энергии скалярного поля массы m и зависящая от времени) тоже уменьшилась, трение стало маленьким, и поле начало колебаться, порождая элементарные частицы. Эти частицы сталкивались, обменивались энергией и постепенно пришли в состояние термодинамического равновесия. В результате Вселенная стала горячей.