26.2 "Горячая Вселенная". Современные представления о строении и эволюции Вселенной.

Признание того, что красное смещение в спектрах вызвано эффектом Доплера приводит к выводу, что масса вещества, содержащаяся в галактиках находилась ранее в одном месте и была выброшена в пространство в результате взрыва.

До начала 20-х гг. XX века учёные были уверены, что Вселенная стационарна и ограничивается нашей Галактикой.

А.Эйнштейн рассматривал модель Вселенной однородной, изотропной и статичной. Такая Вселенная не получалась в результате решения уравнений теории относительности. Тогда Эйнштейн изменил уравнения, предположив, что в природе существует ещё один, новый тип сил. Так в уравнениях появился новый  - член, наличие которого означало, что между любыми двумя данными массами во Вселенной действует сила отталкивания, пропорциональная расстоянию между ними.

Величину этой силы характеризует  - член. Его можно выбрать очень малым, чтобы в пределах Солнечной системы силы отталкивания были ничтожно малы по сравнению с силами притяжения. Но в масштабах Вселенной его наличие сказывается значительно.

В 1917 году Виллем де Ситтер предложил на базе уравнений Эйнштейна другую модель Вселенной. Эта модель описывала пустую Вселенную, однородную, изотропную, но не статическую.

В 1924 году Александр Фридман показал, что можно получить решения первоначальных уравнений Эйнштейна, описывающие заполненную материей однородную и изотропную Вселенную. Модели де Ситтера, Фридмана и Леметра предполагают расширение Вселенной.

Развитие наблюдательной астрономии привело к открытию далёких галактик, не являющихся объектами нашей Галактики. В 1929 году был открыт закон Хабла и в начале 30-х годов теоретики создали новую модель Вселенной, описывающуюся уравнениями Эйнштейна и получившую наблюдательное подтверждение.

Эта Вселенная оказалась расширяющейся и возникшей в результате Большого Взрыва первоначального вещества. Бесконечно сжатое вещество Вселенной до Большого Взрыва называют сингулярностью.

Наблюдения Вселенной приводят к важным выводам о том, что она однородна и изотропна. Однородность означает одинаковость всех свойств материи всюду в пространстве, а изотропия - одинаковость их в любом направлении. Однородность говорит об отсутствии выделенных областей пространства, а изотропия означает отсутствие выделенного направления.

Однородность подтверждается тем, что средняя плотность вещества одинакова для достаточно больших объёмов пространства во Вселенной. Размеры областей, в пределах которых среднюю плотность вещества можно считать одинаковой, гораздо меньше Метагалактики, но они велики по сравнению с масштабами местных неоднородностей, связанных с существованием галактик и их скоплений.

Изотропия подтверждается одинаковостью разбегания гадактик по всем направлениям. Предположения об однородности и изотропии Вселенной называют космологическим принципом.

В 1965 году было сделано открытие, подтвердившее предположение об изотропии и однородности Вселенной. Случайно было обнаружено слабое фоновое радиоизлучение с интенсивностью, одинаковой по всем направлениям. Согласно современным наблюдениям это излучение изотропно с точностью до нескольких десятых долей процента. По распределению энергии в спектре оно оказалось тепловым и соответствует температуре 3К.

При такой температуре максимум излучения приходится на диапазон спектра около 1 мм. В настоящее время неизвестны объекты Вселенной, которые бы могли давать такое излучение. На этом основании излучение было отождествлено с излучением Вселенной, сохранившимся с тех времён, когда плотность вещества была очень велика и Среда была сильно непрозрачной. Со временем, в результате расширения вещество охладилось, перешло из ионизованной в нейтральную фазу, стало непрозрачным. Не поглощаясь более средой, излучение как бы “оторвалось” от вещества и сохранилось до нашего времени. Расчёты показывают, что прозрачность вещества должна была наступить при плотности порядка 10^-20 г/см³, т.е. в миллиард раз превышающую современную. В эту эпоху расстояния во Вселенной были в 1000 раз меньше, во столько же раз была меньше и длина волны. Поэтому кванты, имеющие сейчас длину волны 1 мм, ранее имели длину 1 мкм, что соответствует максимуму излучения по закону Планка при температуре 3000 - 4000 К.

Таким образом, существование реликтового излучения является не только указанием на большую плотность Вселенной, но и на её высокую температуру. Вселенная ранее была более горячей.

Свыше 10 млрд лет назад Вселенная находилась в плотном и горячем состоянии. Можно указать момент, когда она начала расширяться из некоторого сверхплотного состояния.

Расширение Вселенной нельзя рассматривать как расширение сверхплотной вначале материи в окружающую пустоту, ибо окружающей пустоты не было. Вселенная - это всё существующее. Вещество Вселенной с самого начала однородно заполняло всё безграничное пространство. И хотя давление было огромным, оно не создавало расширяющей силы, так как везде было одинаковым. Причины начала расширения Вселенной связаны с квантовыми эффектами, возникающими в поле тяготения при огромных плотностях материи.

Различные теоретики построили многочисленные модели Вселенной, которые расширяются анизотропно на ранних стадиях, затем расширение приближается к закону Хаббла, так что по наблюдениям расширения в наше время эти модели не отличимы от модели Фридмана. Однако, современная космология создала модели Вселенной, сильно отличающиеся от фридмановских.

Для определения того, как происходило расширение вблизи сингулярности, какие протекали процессы, нужно провести расчёты при разных предположениях о расширении, о состоянии и составе вещества Вселенной и сравнить результаты расчётов с наблюдениями. Это позволит определить, какие из предположений истинны и восстановить картину далёкого прошлого Вселенной.

Решение Фридмана, продолженное в прошлое, формально даёт состояние бесконечной плотности вещества. При сверхвысокой плотности вещества перестаёт работать ОТО. Современная квантовая теория предсказывает возникновение квантовых эффектов тяготения вблизи сингулярности. Теория тяготения Эйнштейна - неквантовая теория, поэтому она не может описывать эффекты, связанные с квантованием в масштабах всей Вселенной. Теория размерностей позволяет приближённо оценить параметры, где существенен тот или иной процесс, даже тогда, когда неизвестна детальная теория процесса.

Нужно установить радиус кривизны пространства-времени, при котором существенны следующие явления: тяготение, кванты, релятивизм. Роль тяготения описывается гравитационной постоянной G, роль квантов - постоянной Планка h, роль релятивизма - скоростью света c. Нас интересует радиус кривизны, величина, имеющая размерность длины, при которой существенны все три рода явлений. По теории размерностей получим:

r_n =  Gh/c³) = 10^-33 см.

Это расстояние называют планковской длиной.

Можно вычислить, в какой момент времени после начала расширения Вселенной радиус кривизны был равен r_n и какая была при этом плотность физической материи.

t_n = r_n /c = 10^-43 c.

_n = 10⁹³ г/см³.

Для состояния вещества с такими характеристиками нужно строить новую теорию. Общие законы физики надёжно проверены при плотностях, не превышающих ядерную _яд = 10¹⁴ г/см³.

В ранню эпоху, называемую планковской, должны возникать кванты гравитационного поля - гравитоны.

Первые мгновения существования Вселенной очень загадочны. Возможно, что четыре фундаментальные силы природы были вначале слиты воедино. Однако, спустя 10^-44 секунды после начала расширения ОТО становится применимой.