Космическая шкала времени

В больших масштабах Вселенная считается весьма однородной. Небольшое изменение параметров реликтового излучения (всего на 0,1 %) в одной половине небосвода связано с эффектом Допплера, так как и наша Галактика, и включенная в нее Солнечная система имеют самостоятельное движение относительно реликтового излучения. Однако в распределении галактик обнаруживаются огромные пузыри и слои, простирающиеся на сотни миллионов световых лет.

Ответ на этот вопрос по всей видимости нужно искать в процессах, происходивших в начале “Большого Взрыва”, когда плотность вещества была огромной и составляла 10⁹³ г/см³. В этот момент времени все виды физических взаимодействий были одинаково сильны, а на временной шкале он занимает ничтожный промежуток – t^o = 10^-43 с. В его ходе возникали слабые квантовые или даже тепловые флюктуации плотности, наступали периоды, когда давление в плазме резко менялось.

При температуре порядка 10¹³ °К, когда котел Вселенной представлял собой кипящее месиво равных количеств частиц и античастиц (электронов и позитронов, нейтронов и антинейтронов, протонов и антипротонов), существовал некий баланс между количеством реликтовых фотонов. Однако если бы число тяжелых частиц и античастиц (барионов) было в точности одинаково для каждого сорта, то в ходе расширения Вселенной они бы все аннигилировали, превратившись в реликтовые фотоны и нейтрино, и во Вселенной, кроме реликтового излучения и нейтрино, вообще бы ничего не осталось. Оказалось, что на каждый миллиард частиц и античастиц приходилась одна тяжелая частица, которая и породила потом весь вещественный (асимметричный[55]) мир окружающей нас Вселенной. Таким образом, в ранней истории Вселенной в момент действия теории Великого объединения нарушается барионный заряд. В этих случаях появляются сверхтяжелые хиггсовские и калибровочные частицы (Х-бозоны), которые и послужили основой формирования вещества во Вселенной. Они зарождались на рубеже 10^-34 сек после начала расширения.

Таким образом, важнейшим обстоятельством ранней истории расширения Вселенной являлся факт асимметрии между тяжелыми частицами и античастицами[56]. При температуре 10²⁷ °К темп всех процессов с Х-бозонами и их античастицами оказывается медленнее, чем темп расширения Вселенной. Эти частицы не успевают аннигилировать и их концентрация оказывается “замороженной”. После медленной аннигиляции последних наблюдается асимметрия в образовании большего количества частиц, чем античастиц... И, в конце концов, вещество начинает накапливаться...

То есть, симметризм ранней истории формирования Вселенной, выразившийся в наличии вещества и антивещества (протон-антипротонная, позитрон-антипозитронная, нейтрон-антинейтронная пара и т.д.), в принципе не мог привести к формированию той Вселенной, которая сейчас перед нами. Именно благодаря появлению асимметрии в процессе формирования материи на ранних стадиях эволюции и появилась возможность зарождения вещества во Вселенной.

Как бы мы не смотрели на разные теории о симметричности или несимметричности Вселенной (существует или не существует в ее бескрайних просторах антивещество, способное создать антимиры), мы имеем основание предполагать асимметричный характер ее строения и вещества в ней. Предсказания стандартной космологической модели относительно содержания легких элементов (водорода, дейтерия, гелия и лития) в современной Вселенной хорошо коррелируют с фактами.

В настоящее время хорошее подтверждение получила единая теория поля. Возможность объединения всех видов взаимодействий связана с температурой вещества. Согласно современным данным, объединение трех взаимодействий (“великое объединение”) наступает при температуре 10²⁸°К, а т.н. “величайшее объединение”, когда все известные взаимодействия объединяются, должно происходить при температуре 10³²°К. По нынешним представлениям, расширяясь, Вселенная остывала, и в это время происходили фазовые переходы вещества, приводившие к отделению разных видов взаимодействий и к появлению массы покоя у некоторых частиц, которые в первоначальной горячей Вселенной, двигаясь со световыми скоростями, имели нулевую массу покоя. Такая перестройка должна была сильно изменять темп расширения Вселенной в сторону увеличения.

Один из вариантов эволюции ранней Вселенной, изложенный здесь, базируется на двух основных предположениях, занимающих прочное место в теории гравитации и физике элементарных частиц. Во-первых, это подтверждение общей теории относительности в области сильных гравитационных полей. Во-вторых, это существование единого поля при высоких энергиях (температурах), объединяющего все виды взаимодействий.

Сценарий раздувающейся Вселенной создавался на основе новейших достижений физики высоких энергий. Существуют его разные варианты, но основная идея остается неизменной, и в настоящее время этой теории придерживается большинство космологов. Напомним, что еще в двадцатые годы теорию расширяющейся Вселенной на основе общей теории относительности создал отечественный теоретик А.А.Фридман. Затем возникла теория горячей Вселенной, согласно которой в некий начальный момент времени t=0 наш мир был создан из вещества в состоянии огромной плотности и высочайшей температуры. Эта теория получила блестящее подтверждение после открытия в 1964-65 годах американскими астрономами А.Пензиасом и Р.Вильсоном реликтового электромагнитного излучения, получаемого нами из самых разных направлений видимой области небосвода.

При массе внутри оболочки М, радиус которой R, плотность вещества d, скорость u, H – постоянная Хаббла, G – ньютоновская гравитационная постоянная, к – постоянная кривизны (+1, -1 или 0), получим:

1/2u² – G×М/R = -1/2×к

или, принимая зависимость Хаббла u= НR, получим:

1/2Н² – 4p/3×Gd = -k/2R²

Это и есть уравнение Фридмана, описывающее модель Большого взрыва.

Однако в общем объеме расширяющегося пространства будет соблюдаться некий баланс энергии расширения оболочки и гравитационной потенциальной энергии оболочки.

Уравнение Фридмана связывает кинетическую энергию расширения с гравитационной потенциальной энергией произвольного сферического распределения вещества во Вселенной. Сумма этих двух видов энергии должна быть неизменной во времени.

Рост кинетической энергии в расширяющейся оболочке может происходить только за счет гравитационной (по аналогии с летящим вверх камнем или падающим на землю: при достижении такого положения, когда камень зависнет в верхней точке, кинетическая энергия равна нулю, а потенциальная – максимальна).

Из этого уравнения, при k = 0, кинетическая энергия 1/2×Н² уравновешивается гравитационной (потенциальной) энергией -4p/3×Gd, следовательно Вселенная не расширяется. При k = 1, Вселенная расширяется, а при k = -1, Вселенная испытывает сжатие.

Однако хронология ранних этапов развития Вселенной может быть намечена лишь приблизительно. О сингулярном этапе существования Вселенной мы почти ничего не знаем. Можем только догадываться, что это время – предыстория Большого взрыва, который произошел по каким-то причинам, когда сингулярность была нарушена и развитие Вселенной пошло по рассматриваемому сценарию.

Примерно 20-15 миллиардов лет тому назад Вселенная совершенно была не похожа на современную ни по физическому состоянию, ни по составу. Пространство было заполнено плазмой, состоящей из различных элементарных частиц и фотонов. При этом на определенном этапе развития излучение резко преобладало.

С Большим Взрывом связано рождение первых самых легких химических элементов, или точнее их атомных ядер. Мысль о горячем начале Вселенной высказал в 1946 г. Г.А.Гамов в связи с разработкой теории происхождения элементов из нейтронной среды, совместно с Р.Альвеном и Г.Бете. Согласно этой теории, начальное состояние мира представлялось в качестве сплошной нейтронной среды, (так называемый “илем”), которая стала расширяться. При этом нейтроны стали распадаться на протоны и электроны (+ нейтрино). Протоны стали захватывать оставшиеся нейтроны с последующим b-распадом, что приводило к образованию все более и более тяжелых элементов. Однако гипотеза о дозвездном происхождении всех элементов оказалась несостоятельной. Синтез элементов возможен только в звездах. Однако 30 % гелия во Вселенной было синтезировано в дозвездную, догалактическую стадию.

Догалактическая и дозвездная стадии определили и примитивный набор элементарных частиц и легких ядер, который в дальнейшем послужил исходным строительным материалом для создания первых галактик и затем звезд.

У стандартной космологической модели имеется ряд трудностей: это “проблема горизонта”, т.е. высокая однородность крупномасштабной структуры Вселенной, включаемая в начальные условия, т.к. ее невозможно объяснить (никакой физический процесс и никакая информация не могли попасть из одной части взрывающейся структуры в другую); проблема “точечных дефектов”, которые отождествляют с гипотетическими магнитными монополями, и “поверхностных дефектов”, которые иначе называют стенками доменов; и те и другие чрезвычайно массивны, их суммарная масса на шестнадцать порядков превосходит массу протонов. Они должны быть согласно теории. Но их не найдено. Недавно появилась модель, снимающая и эту, и ряд других проблем, однако, как и всегда в космологии и физике высоких энергий “Сатана изгоняется с помощью Вельзевула”, иными словами, новое допущение само по себе неожиданно и парадоксально, и его далеко не все готовы принять. Суть его заключается в том, что в эволюции Вселенной на стадии сингулярности “...была кратковременная “ин­фля­ци­он­ная” фаза (фаза раздувания) – чрезвычайно быстрое расширение, при котором диаметр Вселенной увеличился в 10⁵⁰ раз больше, чем предполагалось. В ходе этого грандиозного “спурта” все вещество и вся энергия могли образоваться практически “из ничего”. <...> Если новая модель верна, то наблюдаемая Вселенная – это всего лишь очень небольшая часть Вселенной в целом”[57]. Период экспоненциального раздувания охватывает интервал времени приблизительно от 10^-43 до 10^-35 секунды. Вначале пространство имело значительную кривизну, но после “раздувания” его геометрия стала “почти евклидовой”.

В теориях образования полей Вселенная должна разделяться на разные области (домены), так как у полей Хиггса существуют, как уже выяснилось, разные величины минимумов. Причем между этими областями должны возникать т.н. доменные стенки с огромной плотностью энергии, с образованием большого количества сверхтяжелых магнитных частиц, несущих магнитный заряд, названных монополями. По расчетам плотность их в настоящее время должна быть очень высокой. И стадия экспоненциального расширения решает проблему монополей, плотность которых падает при столь огромном раздувании, а после этого температура уже не благоприятствует созданию таких частиц. Что же касается доменных стенок, то, ввиду сильного расширения, они для нас слишком далеки, впрочем как и друг от друга. При этом каждая область Вселенной, имевшая разные поля Хиггса и поэтому отделенная от других доменными стенками, становилась мини-Вселенной с расстояниями, недоступными нашему наблюдению.

Что же касается размерности пространства, то в последнее время разрабатывается множество теорий, предполагающих его гораздо более высокую размерность, однако все его координаты, кроме трех, как бы “свернуты”, поэтому пространство представляется нам трехмерным. При раздувании области, упомянутые выше, превращалась в самостоятельные Вселенные, каждая из которых могла иметь различные размерности.

Остается загадкой вопрос о сингулярности. Нам известно, что Вселенная родилась из этого состояния. Но что этому предшествовало? Это – одна из самых сложных проблем, стоящих перед космологами. Тем не менее существует возможный вариант решения и этого вопроса. Согласно сценарию раздувающейся Вселенной, ее первоначальный размер составлял 10^-33 см, а в таких расстояниях при плотности порядка или больше планковской плотности 10⁹⁴ г/см³, действуют квантово-гравитационные эффекты. Отсюда можно предположить, что наша Вселенная родилась из квантовых флюктуаций метрики, из так называемой пространственно-временной пены, где отсутствует классический пространственно-временной континуум. Такой вариант вполне согласуется с теорией скалярных полей. Необходимо заметить, что размеры нашей Вселенной, возникшей в результате квантовых флюктуаций, не должны быть бесконечными, и после расширения должно наступить сжатие и возврат к сингулярности, после чего может состоятся рождение новой Вселенной с иными свойствами.

Подводя итоги, можно сказать, что по крайней мере видимая часть Вселенной размером около 10²⁸ см возникла благодаря стадии экспоненциального расширения из “пу­зырь­ка” порядка или меньше 10^-33 см. Раздувание происходило со скоростью гораздо большей скорости света 3×10¹⁰ см/с, что согласуется с общей теорией относительности. Наша Вселенная является лишь одной из возможных Вселенных, каждая из которых может иметь различные свойства и размерность пространства. Насколько эти представления соответствуют действительности, покажет время.