3.1. Структура Вселенной.

Одной из фундаментальных нерешенных проблем современной космологии является задача исследования структуры Вселенной, чтобы понять место человека в ней и свойства других вселенных. Здесь существует целый набор различных теорий структуры Вселенной: релятивистская, адиабатическая, нейтринная и др.¹⁷⁵ Новые мощные и общие методы исследования Вселенной (принципиально новые астрономические инструменты и выход в космос, превратившие астрономию во всеволновую и т.д.), новые теоретические подходы (неизвестные ранее общие математические методы, алгоритмы и исчисления) обнаружили общность природы и типа структур разнородных систем во Вселенной. К ним относятся существенная нестационарность множества систем всевозможного масштаба, фрактальный характер Вселенной и пр.¹⁷⁶ В общем оказывается, что до сих пор в теории Вселенной как целого имеются зияющие пробелы: зарядовая асимметрия Вселенной, когда отсутствует антивещество, наличие массы у нейтрино, обнаружение международной группой исследователей в ходе эксперимента над Антарктидой, который носит название «Наблюдение внегалактического излучения с аэростата и исследования геомагнетизма»,что Вселенная является плоской (ее геометрия является евклидовой)¹⁷⁷ и т.д. Таким образом, пути познания не являются прямолинейными и поэтому в космологии существует несколько вариантов, описывающих структуру Вселенной.

Релятивистская теория, описывающая начальные возмущения метрики пространства в рамках теории горячей Вселенной, создана Е.М. Лифшицем и Г.А. Гамовым (1946 г.). Предполагается, что в момент t=10^-4 c или несколько позже, когда температура упала до 100 МЭв или ниже, везде осуществляется локальное термодинамическое равновесие, везде имеется одинаковое отношение барионов (протонов и нейтронов), отнесенное к общему числу частиц. Тогда расширение Вселенной описывается уравнениями теории Фридмана, учитывающих малые возмущения плотности, скорости расширения и метрики пространства-времени. Понятно, что эти возмущения настолько малы, что можно проигнорировать их влияние на общее расширение, нуклеосинтез и все остальные свойства Вселенной как целого. Однако данные «возмущения принципиально важны для образования структуры Вселенной»¹⁷⁸, так как именно их рост с течением времени приводит к появлению структуры. Известно, что в этих начальных условиях недостаточно определены такие важнейшие параметры, как постоянная Хаббла, плотность барионов, общая плотность всех видов вещества, обусловленная массами частиц, список частиц, амплитуда возмущений; с точностью до нескольких процентов оказывается известной температура микроволнового фонового излучения.

И тем не менее, адиабатическая теория рождения структуры Вселенной дает вполне определенные, качественные предсказания, а именно: образование плотных областей начинается с отдельных тонких слоев – «блинов», чья толщина медленно возрастает, причем быстрее вдоль поверхности блина. Поверхности блинов пересекаются, образуя на них складки, как раз-таки на поверхностях и линиях концентрируются галактики и скопления галактик. В областях между блинами плотность газа оказывается ниже средней, газ не нагрет, и поэтому галактики не возникают, что зафиксировано в больших черных областях. В результате перед нами ячеисто-сетчатая структура Вселенной, которая подтверждается наличием простирающихся на сотни миллионов световых лет огромных пузырей и слоев в распределении галактик¹⁷⁹.

Адиабатическая теория структуры Вселенной показывает, что вещество концентрируется в тонких слоях с плотностью во много раз выше средней. Тогда внутренний слой газа сжимается адиабатически и возникают ударные волны в очень малой доле вещества и результатом является четко выраженная ячеисто-сетчатая структура с пустотами внутри ячеек. Сжатый в блинах газ дробится, превращается в отдельные галактики и далее в звезды. Данный процесс осуществляется под влиянием гравитационной неустойчивости в сжатом слое, тепловой неустойчивости сжатого нагретого газа и гидродинамической неустойчивости. В итоге происходящих процессов возникает в блине турбулентность и происходит его распад на части - на галактики. Эта концепция способна объяснить существование во Вселенной больших пустот, в которых содержится вещество в форме ионизованного газа первичного состава (водород и гелий).

Заслуживает внимания нейтринная теория, возникшая в силу новой ситуации – открытие возможной массы нейтрино порядка 30 электрон-вольт, данные о малой плотности обычного вещества (водорода и гелия) и о малой начальной амплитуде флуктуаций плотности на основе исследования анизотропии микроволнового излучения. Тогда возникает кризис стандартной теории образования структуры в горячей Вселенной с безмассовым нейтрино. «Видимая структура Вселенной определяется обычным веществом, потому что только такое вещество образует звезды и все остальные небесные тела, способные давать электромагнитное излучение, улавливаемое нашими приборами. Однако, с точки зрения фундаментальной теории, в предположении, что эти нейтрино имеют массу, речь идет о поведении 5% вещества, т.е. об эффекте вторичном по отношению к движению и структуре скоплений нейтрино»¹⁸⁰. В этом случае вполне применима теория блинов к нейтрино, о чем свидетельствуют специальные математические расчеты и определенные физические соображения.

Заслуживает внимания то обстоятельство, что советский физик А.Д. Сахаров в своей работе «Начальная стадия расширения Вселенной и возникновение неоднородности распределения вещества» заложил основы нового направления в космологии – теории происхождения начального спектра возмущений для образования галактик и их скоплений¹⁸¹. В соответствии с точкой зрения большинства исследователей галактики образовались в результате нарастания из-за гравитационной неустойчивости малых начальных неоднородностей, присутствовавших в ранней Вселенной: «…чтобы найти эти начальные неоднородности, нужны дополнительные физические соображения или гипотезы. Это одна из главных проблем большой космологии»¹⁸². А.Д. Сахаров предположил, что в качестве таких затравочных догалактических возмущений могут быть квантовые флуктуации в распределении энергии, которые с необходимостью должны иметь место на стадии ранней Вселенной в силу квантово-механического принципа соотношений неопределенности Гейзенберга.

Исходя из намеченных основных принципов общей теории квантовых космологических возмущений, им была сделана попытка применить их к конкретной холодной модели Вселенной, чтобы рассчитать амплитуду возникающих возмущений. Несмотря на то, что гипотеза о холодном барионном первичном веществе не оправдалась, основные идеи А.Д. Сахарова нашли свое воплощение в последовательной теории квантовых космологических возмущений. Сейчас большинство космологов считает, что догалактические неоднородности обусловлены квантовыми нулевыми колебаниями скалярных полей (а не холодного барионного вещества), которые являются существенным компонентом современных моделей теории великого объединения¹⁸³. Эти поля обуславливают стадию раздувания (инфляцию), когда возникают масштабно-инвариантный (в отличие от работы А.Д. Сахарова) спектр догалактических неоднородностей. Полученные успехи представляют собою часть самосогласованной картины мира, в которой естественным образом получают свое разрешение такие многие «извечные» космологические проблемы, как проблемы горизонта, однородности, плоскостности и др. «Гипотеза «раздувания» естественно объясняет, - подчеркивает А.Д. Сахаров, - многие астрофизические факты (отсутствие наблюдаемых изолированных магнитных полюсов – «монополей», почти «плоская» геометрия Вселенной и др.). Впрочем не исключено, что будут найдены альтернативные объяснения. Неясен основной вопрос о природе поля, вызывающего раздувание. Возможно, что разные состояния вакуума тут ни причем – просто мы живем в такой области Вселенной, где с самого начала присутствовало поле, обладающее отрицательным давлением, и поэтому в нашей области Вселенной произошло раздувание. Существование подобных полей предполагается в некоторых современных теориях. В целом ситуация тут далека от ясности. Гипотеза раздувающейся Вселенной безусловна должна быть отвергнута, если обнаружится, что геометрия Вселенной далека от плоской (евклидовой)¹⁸⁴. Таким образом, проблема объяснения существующей структуры Вселенной остается нерешенной, очевидно, эта увлекательная проблема получит свое решение в XXI столетии.