Особенности строения и развития Вселенной.

 

Мы живём в расширяющейся Вселенной, которая, согласно теории Большого взрыва, возникла примерно 13 миллиардов 700 миллионов лет тому назад в результате взрыва огромной силы. В первые мгновения после взрыва Вселенная находилась в состоянии полнейшего хаоса со столь высокой энергией, что частицы, обладавшие гигантскими скоростями, сталкивались практически непрерывно. Кроме частиц было ещё излучение, и существовали особо плотные физические объекты «чёрные дыры».

Первоначальное состояние Вселенной – это сверхплотное образование относительно малого объёма (что-то вроде мяча). Была ли она меньше, и что с ней происходило до Большого взрыва – современная наука сказать не может. Но учёные рассчитали, что происходило с Вселенной после Большого взрыва. Сразу после взрыва Вселенная представляла собой кашу из частиц и излучения. Частицы врезались друг в друга с колоссальной силой. Затем появились тяжёлые частицы, их античастицы и чёрные дыры. Следующий этап – появление лёгких частиц и их античастиц. Вселенная представляла собой смесь излучения, электронов, нейтронов и их античастиц. Её температура составляла около 10 миллиардов градусов (здесь и далее по шкале Кельвина). Вселенная вступила в эпоху излучения. В ней было ещё довольно много лёгких частиц, но при понижении температуры до 3 миллиардов градусов они быстро исчезли, испустив множество фотонов (частиц света). В то время Вселенная почти полностью состояла из фотонов. Через 3 минуты после Большого взрыва, при температуре около миллиарда градусов в результате столкновения протона и нейтрона образовалось ядро дейтерия, а из двух ядер дейтерия образовалось ядро гелия. Так за очень короткое время, примерно за 200 минут, около четверти вещества Вселенной превратилось в гелий.

Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться в течение нескольких тысяч лет. Тогда она состояла в основном из излучения с примесью некоторых частиц – нейтронов, протонов, электронов, нейтрино и ядер простых атомов. Это была довольно тоскливая Вселенная, непрозрачная из-за густого светящегося тумана, и в ней почти ничего не происходило. Непрозрачность вызывалась равновесием между фотонами и веществом. При температуре 3 тысячи градусов в результате объединения электронов и протонов образовались атомы водорода, так что фотоны смогли оторваться от вещества и унестись в пространство. Густой туман внезапно рассеялся, и Вселенная стала прозрачной, хотя и ярко красной, так как температура излучения была ещё довольно высока. Постепенно она падает, сначала до одной тысячи градусов, затем до ста градусов, и, наконец, достигла нынешнего значения – 3 градуса. В возрасте около 10 миллиардов лет Вселенная имела температуру, которую мы называем комнатной. Могло показаться, что она в то время была абсолютно пуста и черна, но на самом деле там было сильно разряженное вещество будущих галактик. Когда Вселенной было несколько сот миллионов лет, всё пространство оказывается заполненным очень разреженным и весьма однородным газом при наличии небольших плотных сгустков.

После отрыва излучения от вещества Вселенная по-прежнему состояла из довольно однородной смеси частиц и излучения. В ней уже содержалось вещество, из которого впоследствии образовались галактики, но пока его распределение оставалось в основном равномерным. Уже имеющиеся плотные образования или флуктуации увеличивались с течением времени. Они разорвали облака частиц на отдельные части. Эти гигантские клубы вещества расширялись вместе с Вселенной, но постепенно стали отставать. Затем под действием взаимного притяжения частиц начало происходить их уплотнение. Большинство этих образований поначалу медленно вращалось, но по мере уплотнения скорость их вращения возрастала. Это были будущие галактики или протогалактики. Турбулентность в каждом из фрагментов была весьма значительна, и облако дробилось всё больше, до тех пор, пока не оставались области размером со звезду. Они уплотнялись и образовали так называемые протозвёзды. Затем стали загораться звёзды и галактики приобрели свой нынешний вид.

Всё-таки, видимо, в основе мироздания лежала одна фундаментальная сила и одна фундаментальная частица. При энергиях, характерных для ранней Вселенной, все четыре фундаментальных взаимодействия были слиты воедино. По мере расширения и остывания Вселенной, происходило разделение сил. Вначале выделилось тяготение, затем слабое взаимодействие, и, наконец, разделились сильное и электромагнитное взаимодействия. Становится очевидным, что основа мироздания – электромагнитное взаимодействие, и, естественно, фундаментальной частицей является фотон, который имеет электромагнитную природу, представляя собой одновременно и частицу и волну. Примечательно, что скорость света или фотона и скорость распространения электромагнитной волны одинакова, и представляет собой предельную скорость, которую не может развивать вещество, согласно теории относительности Эйнштейна. Поэтому стоит внимательнее присмотреться к электромагнитному взаимодействию и свету. Эти явления будут интересовать нас с точки зрения будущего Вселенной, и, конечно же, человека – его прошлого и будущего.

Источником электромагнитного поля является электрический заряд. Когда заряд колеблется, изменяющееся электрическое поле создаёт магнитное поле, и образующаяся электромагнитная волна распространяется в пространстве. По мере приближения к источнику электрическое поле становится мощнее. Чем меньше расстояние до электрона, тем интенсивнее проявляется поле, а в центре оно становится бесконечно большим. Скорее всего, в этом месте находится сингулярность, такая же, как и в центре массивного объекта, представляющая собой предельное искривление пространства, отрезанного от остальной Вселенной. Предельное искривление пространства образует, пространственно-временные мостики или как их назвал Эйнштейн «кротовые норы». Линии поля входят в одну из них и выходят из другой. При взгляде сверху они кажутся источниками электрического заряда. Один из них положительный – линии из него выходят, а другой отрицательный – линии в него входят. Но так как источниками электромагнитных и гравитационных полей являются частицы, то в их роли выступают «кротовые норы». Получается, что вещества нет, есть только норы в пространстве. Как ни странно, но в основе мира лежит пустота. Пустота – это обыденное название. Учёные же пользуются понятием «вакуум».

Известно, что природа не терпит пустоты. Так и вакуум не является абсолютной пустотой. Он представляет собой квантовое состояние с наименьшей энергией, поле без реальных частиц. В нём постоянно рождаются пары частиц: частица и античастица. Они исчезают раньше, чем их можно было бы обнаружить приборами, взаимодействуя между собой. В результате этого взаимодействия возникают фотоны, которые в свою очередь, поглощаются вакуумом. Всё это носит название «нулевые колебания вакуума». Частицы, взаимодействующие между собой, были названы «виртуальными», а процесс их взаимодействия – «аннигиляция». Оказывается, закон сохранения энергии не выполняется, если энергия «занимается» и «отдаётся» за очень короткое время. Если воздействовать на виртуальные частицы достаточно сильным электромагнитным полем, то они не взаимодействуют, а превращаются в реальные частицы. Такое разделение частиц происходит в чёрной дыре – абсолютно плотном материальном объекте, который обладает абсолютной способностью к притяжению, и представляет собой предельно искривлённое пространство в своей середине, то есть сингулярность. Вселенная в самом своём начале представляла собой именно такую чёрную дыру. Достаточно большие звёзды в конце своей жизни также превращаются в чёрные дыры. В последние моменты её жизни скорость выделения энергии так возрастает, что это похоже на взрыв. После взрыва чёрной дыры есть основания полагать, что сингулярность в центре остаётся. Если так оно и есть, то сингулярности могут нарушать принцип причинности в «кротовых норах». Саму сингулярность описать невозможно, потому что там научная теория не работает. Мы не можем адекватно описать происходящее, а если попытаемся, то получится несуразность – бесконечная плотность и масса, не имеющая размеров. Но вблизи к сингулярности, в чёрной дыре, пространство и время меняются местами. Во времени можно двигаться как угодно, а в пространстве – только в одну сторону, к сингулярности. То есть это конец или граница пространства-времени, известного современной науке.

Итак, чёрные дыры и «кротовые норы» возникают сами собой в вакууме как квантовые флуктуации гравитационного поля, где понятие гладкого пространства-времени уже не применимо. На таких масштабах должно существовать что-то похожее на водяную или мыльную пену в бурном потоке, постоянно «дышащую» за счёт образования и схлопывания мелких пузырьков. Вместо спокойного пустого пространства мы имеем возникающие и исчезающие в бешеном темпе мини-чёрные дыры и «кротовые норы» самых причудливых конфигураций. Их размеры невообразимо малы. Они во столько же раз меньше атомного ядра, во сколько раз это ядро меньше планеты Земля.

Таким образом, основа мироздания именно вакуум, а вещество, поля, излучения – это выбросы из его глубины. Без этих выбросов вакуум не мог бы проявить себя, не мог бы получить те реальные частицы вещества и света, которые он превращает в виртуальные. Без них он потерял бы даже то существование, благодаря которому его можно обнаружить, а вещество и энергия утратили бы возможность движения. Значит, разделение субстанции (материи) и пустоты – это конец мира, по крайней мере, такого, в котором мы живём и который изучаем.

В итоге возникает вопрос о дальнейшей судьбе Вселенной. В настоящее время Вселенная расширяется. Гравитационное взаимодействие галактик должно замедлять расширение Вселенной, в результате чего должно замедляться и разбегание галактик. Наиболее удалённые по расстоянию, а значит, и по времени, должны замедляться больше всего. Отсюда следуют вопросы: хватит ли этого замедления, чтобы разбегание галактик остановить полностью? Достаточно ли взаимного гравитационного притяжения для преодоления расширения? Это зависит от напряжённости гравитационного поля, которая, в свою очередь, зависит от средней плотности вещества во Вселенной. Открыта или замкнута Вселенная, зависит от того, насколько её плотность отличается от критической плотности. Если плотность больше определённого значения, то Вселенная замкнута и, в конце концов, её расширение остановится, она начнёт сжиматься до одной точки. Если плотность меньше, то она открыта и будет расширяться вечно.

На основании новейших астрономических данных учёные утверждают, что Вселенная не просто расширяется, а разлетается с всё большей скоростью, то есть с ускорением. Со временем это ускорение нарастает. Характер расширения Вселенной связан с уравнением состояния материи – с соотношением между её плотностью и давлением. Если материя обычная с положительным плотностью и давлением, то сама плотность со временем падает, а расширение замедляется. Если давление отрицательно и равно по величине, но противоположно по знаку плотности энергии и их сумма равна нулю, то такая плотность постоянна во времени и пространстве. Она называется «космологическая постоянная», которая приводит к расширению с постоянным ускорением. Но чтобы ускорение росло со временем, сумма давления и плотности энергии должна быть отрицательной. Такую материю никто никогда не наблюдал, но поведение видимой части Вселенной свидетельствует о её присутствии. Её назвали «тёмная энергия». Она ведёт себя парадоксально в отличие от обычной материи. Вселенная расширяется, а плотность тёмной энергии растёт, тогда, как обычное вещество с увеличением объёма теряет плотность. Такая энергия самый подходящий материал для строительства «кротовых нор». В настоящую эпоху её должно быть около 70% и эта доля постоянно увеличивается.

Исходя из сказанного, можно проследить дальнейшую судьбу Вселенной. Звёзды постепенно постареют, и, превратившись с течением времени в красных гигантов, либо взорвутся, либо медленно сколлапсируют и умрут. Некоторые из них, прежде чем погаснуть, столкнутся с другими звёздами. Часть из них сбросит в пространство планеты, многие звёзды окажутся на совершенно других орбитах, некоторые даже вне пределов своей галактики. Не выброшенные из галактик звёзды в результате столкновений будут притягиваться к центру, который превратится в чёрную дыру. В далёком будущем большинство галактик будет состоять из массивных чёрных дыр, окружённых роем белых карликов, нейтронных звёзд, чёрных дыр, планет и различных частиц. В конце концов, всё, что состоит во Вселенной из протонов и нейтронов (их не содержат только чёрные дыры), распадётся на эти частицы. Вселенная превратится в смесь из них и чёрных дыр, и будет находиться в таком состоянии очень долго. Постепенно испарятся маленькие чёрные дыры, затем большие, и через 10¹ºº лет Вселенную заполнят электроны и позитроны, которые, вращаясь друг вокруг друга, образуют огромные «атомы». Постепенно позитроны и электроны, двигаясь по спирали, столкнутся и аннигилируют, в результате чего останутся только фотоны. Во Вселенной не будет ничего, кроме излучения.