Современная картина происхождения Вселенной

 

Технический прогресс не стоит на месте. Научно-техническая революция ХХ века значительно расширила горизонты человеческих знаний. Человек создал ракету, побывал в космосе, созданы сверхмощные оптические и радиотелескопы, компьютеры, позволяющие рассчитывать и модулировать глобальные процессы, происходящие в масштабах Солнечной системы и Вселенной. На сегодняшний день современное естествознание объясняет возникновение Вселен­ной с помощью теории Большого взрыва.

 

Рождение Вселенной

 

Примерно 15 млрд. лет отделяет нашу эпоху от начала про­цесса расширения Вселенной, когда вся наблюдаемая нами Все­ленная была сжата в комочек, в миллиарды раз меньший була­вочной головки. Если верить математическим расчетам, то в на­чале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние назы­вается сингулярностью - точечный объем с бесконечной плотно­стью. Известные законы физики в сингулярности не работают.

Более того, нет уверенности, что наука когда-либо познает и объяснит такие состояния. Так что если сингулярность и являет­ся начальным простейшим состоянием нашей расширяющейся Вселенной, то наука не располагает о нем информацией.

В состоянии сингулярности кривизна пространства и вре­мени становится бесконечной, сами эти понятия теряют смысл. Идет не просто замыкание пространственно-временного кон­тинуума, как это следует из общей теории относительности, а его полное разрушение. Правда, понятия и выводы общей тео­рии относительности применимы лишь до определенных пре­делов - масштаба порядка 10^-33 см. Дальше идет область, в ко­торой действуют совсем иные законы. Но если считать, что начальная стадия расширения Вселенной является областью, в которой господствуют квантовые процессы, то они должны подчиняться принципу неопределенности Гейзенберга, соглас­но которому вещество невозможно стянуть в одну точку. То­гда получается, что никакой сингулярности в прошлом не бы­ло и вещество в начальном состоянии имело определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все веще­ство наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 10⁶¹ г, сжать до плотности 10⁹⁴ г/см³, оно заняло бы объем около 10^-33 см³, что примерно в 1000 раз больше объема ядра атома урана. Его нельзя было бы разглядеть и в электронный микроскоп.

Причины возникновения такого начального состояния (или сингулярности - эту гипотезу и сегодня поддерживают многие ученые), а также характер пребывания материи в этом состоя­нии считаются неясными и выходящими за рамки компетенции любой современной физической теории. Неизвестно также, что было до момента взрыва. Долгое время ничего нельзя было сказать и о причинах Большого взрыва, и о переходе к расши­рению Вселенной, но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы.

Итак, очевидно, что исходное состояние перед «началом» не является точкой в математическом смысле, оно обладает свойствами, выходящими за рамки научных представлений се­годняшнего дня. Не вызывает сомнения, что исходное состоя­ние было неустойчивым, породившим взрыв, скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной. Это, очевидно, было самое простое состояние из всех, реализовавшихся позднее вплоть до наших дней. В нем было нарушено все, что нам при­вычно: формы материи, законы, управляющие их поведением, пространственно-временной континуум. Такое состояние можно назвать хаосом, из которого в последующем развитии системы шаг за шагом формировался порядок.

Хаос оказался неустойчивым, это послужило исходным толчком для последующего развития Вселенной.

Еще Демокрит утверждал, что мир состоит из атомов и пустоты - абсолютно однородного пространства, разделяю­щего атомы и тела, в которые они соединяются. Современная наука на новом уровне интерпретирует атомизм, и вносит со­вершенно иной смысл в понятие среды, разделяющей части­цы. Эта среда отнюдь не является абсолютной пустотой, она вполне материальна и обладает весьма своеобразными свой­ствами, пока еще мало изученными. По традиции, эта среда, неотделимая от вещества, продолжает называться пустотой, вакуумом.

Вакуум - это пространство, в котором отсутствуют реаль­ные частицы и выполняется условие минимума плотности энергии в данном объеме. Казалось бы, раз нет реальных час­тиц, то пространство пусто, в нем не может содержаться энергия, даже минимальная. Но это представление пришло к нам из классической физики. Квантовая же теория, опираясь на принцип неопределенности Гейзенберга, опровергает его. Мы помним, что применительно к теории поля принцип не­определенности утверждает невозможность одновременного точного определения напряженности поля и числа частиц. Раз число частиц равно нулю, то напряженность поля не может равняться нулю, иначе оба параметра будут извест­ны, и принцип неопределенности будет нарушен. Напряжен­ность поля в вакууме может существовать лишь в форме флуктуационных[1] колебаний около нулевого значения. Соот­ветствующая этим колебаниям энергия будет минимально возможной.

В соответствии с признанным дуализмом волновых и кор­пускулярных свойств колебания полей обязаны порождать частицы. И здесь мы сталкиваемся еще с одним парадоксом микромира. Квантовые эффекты могут на очень короткое вре­мя приостанавливать действие закона сохранения энергии. В течение этого промежутка времени энергия может быть взята «взаймы» на различные цели, в том числе на рождение частиц. Разумеется, все возникающие при этом частицы будут короткоживущие, так как израсходованная на них энергия должна быть возвращена спустя ничтожную долю секунды. Тем не ме­нее частицы могут фактически возникнуть из ничего, обретая мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть. И эту скоро­течную деятельность невозможно предотвратить. Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить след своего кратковременного существования. Они представляют собой разно­видность виртуальных частиц, аналогичных переносчикам взаимо­действия, но не предназначенных для получения или передачи сигналов.

Таким образом, «пустой» вакуум оказывается заполненным виртуальными частицами. Он не безжизнен и безлик, а полон энергии. А то, что мы называем частицами, - всего лишь ред­кие возмущения, подобные «пузырькам» на поверхности цело­го моря активности.

Современные теории предполагают, что энергия вакуума проявляется отнюдь не однозначно. Вакуум может быть воз­бужденным и находиться в одном из многих состояний с силь­но различающимися энергиями, подобно тому, как атом может возбуждаться, переходя на уровни с более высокой энергией, причем различие между самой низкой и самой высокой энер­гиями невообразимо велико.

Очевидно, вакуум играет роль базовой формы материи. На самой ранней фазе эволюции Вселенной именно ему отводится ведущая роль. Экстремальные условия «начала», когда даже пространство-время было деформировано, предполагают, что и вакуум находился в особом состоянии, которое называют «ложным» вакуумом. Оно характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения, отрицательное давление, которое равносильно гравитационному отталкиванию такой величины, которое и вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной - Большой взрыв. Это и было перво­толчком, «началом».

С началом стремительного расширения Вселенной возни­кает время и пространство. По разным оценкам период «раздувания» занимает невообразимо малый промежуток времени - до 10^-33 с после «начала». Он называется инфляци­онным периодом. За это время Вселенная успевает раздуться до гигантского «пузыря», радиус которого на несколько по­рядков превышает радиус современной нам Вселенной, но там практически отсутствуют частицы вещества. Это еще не то расширение, о котором мы говорили, а предпосылка к нему. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно горячей. Этот всплеск тепла обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Когда это со­стояние вакуума распалось, его энергия высвободилась в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до 10²⁷ К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории горячего Большого взрыва.