Инфляционная стадия эволюции Вселенной

 

Очевидно, вакуум играет роль базовой формы материи. На самой ранней фазе эволюции Вселенной именно ему отводилась ведущая роль. Экстремальные условия «начала», когда даже пространство-время было деформировано, предполагают, что и вакуум находился в особом состоянии, которое называют «ложным» вакуумом. Состояние «ложного» вакуума характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества, в результате чего в веществе могут возникать сильнейшие напряжения, отрицательные давления, равносильные гравитационному отталкиванию такой величины, что оно вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной – Большой взрыв. Это и было первотолчком, «началом» нашего мира.

Самый ранний этап эволюции Вселенной занял 10^-43 с и получил название эры квантовой гравитации. В эру квантовой гравитации все четыре фундаментальных взаимодействия были объединены и не отличались друг от друга. Но об этом периоде мы пока ничего не знаем. К концу периода Вселенная охладилась настолько, что гравитационное взаимодействие отделилось от других взаимодействий, оставшихся слитными.

С этого момента начинается стремительное расширение Вселенной, возникают время и пространство, идет безудержное раздувание «пузырей пространства», зародышей одной; или нескольких вселенных, которые могут отличаться друг от друга своими фундаментальными константами и законами.

По разным оценкам, период «раздувания», идущий по экспоненте, занимает чрезвычайно малый промежуток времени – до 10^-33 с после «начала». Он называется инфляционным периодом, За 10^-33 с размеры Вселенной увеличились в 10⁵⁰ раз, от миллиардной доли размера протона до размеров спичечного коробка.

Каждый из таких «пузырей» расширялся со скоростью света, а в целом Вселенная раздувалась со скоростью, в миллионы раз большей скорости света. Принципы теории относительности, запрещающие движение быстрее света, при этом не нарушались, так как обмен информацией шел только между причинно связанными областями, а «пузыри» пространства таких связей не имели. Один из таких «пузырей» стал зародышем нашей Метагалактики. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно «горячей». Всплеск тепла, осветивший космос, обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Такое состояние вакуума очень неустойчиво и стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, заканчивается и инфляция. Энергия, существовавшая в виде множества реальных частиц, высвободилась в виде излучения, мгновенно нагревшего Вселенную до 10²⁷ К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории «горячего» Большого взрыва. Благодаря энергии возникли вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать и испытывать последовательные фазовые переходы, каждый из которых переводил ее в более сложное состояние.

Ранний этап эволюции Вселенной

 

Доступная наблюдению часть Вселенной состоит на 99% из водорода и гелия, но в первоначальном плазмоподобном сгустке не было ни водорода, ни гелия. Теория Большого взрыва утверждает, что от появления протовещества до образования ядер атомов водорода и гелия прошло немногим более трех минут. На этом временном промежутке стремительно преобразовывались вакуум и вещество, а этапы преобразования определялись процессами расширения и остывания сгустка.

Эра Великого объединения

 

К этому времени, названному эрой Великого объединения, Вселенная представляла собой плазму из элементарных частиц всех видов и их античастиц в состоянии термодинамического равновесия при температуре 10²⁷ К. В этом сгустке были лептоны (электроны, мюоны, тау-лептоны, все виды нейтрино), кварки и их античастицы. Все они свободно превращались друг в друга. В сгустке помимо гравитационного взаимодействия существовало великое (большое) взаимодействие со своим переносчиком – бозоном Хиггса. Плотность Вселенной в это время была столь велика, что она была непрозрачна для электромагнитного излучения. Эра Великого объединения продолжается от 10^-43 до 10^-33 с.

Адронная эра

 

Далее, от 10^-33 с до 10^-6 с, наступила адронная эра. Она началась с разделения кварков и лептонов, когда температура понизилась и стала меньше 10²⁷ К. При этом сильное взаимодействие отделилось от электрослабого. Бозон Хиггса распался на глюоны и безмассовый бозон – переносчик электрослабого взаимодействия. К моменту прекращения переходов кварков в лептоны число кварков несколько превышало число антикваков, а число электронов – число позитронов. Таким образом, современное существование Вселенной связано с нарушением симметрии на самых ранних этапах ее эволюции. Причины такой асимметрии точно неизвестны до сих пор. В общем плазмоподобном сгустке на каждый миллиард пар частиц и античастиц приходилась одна частица, которой не хватало пары для аннигиляции. Это и определило дальнейшее появление вещественной Вселенной с галактиками, звездами, планетами и разумными существами на некоторых из них.

При снижении температуры до 10¹⁵ К электрослабое взаимодействие разделилось на слабое и электромагнитное. При этом электрослабый бозон распался на фотон и три тяжелых векторных бозона. Таким образом, во Вселенной утвердились все четыре известные сегодня науке фундаментальные взаимодействия.

Понижение температуры до 10¹³ К прекратило свободное существование кварков. Они слились в адроны, важнейшими из которых стали протоны и нейтроны. При этом барионов опять-таки было больше, чем антибарионов.

Лептонная эра

 

Далее наступает лептонная эра, продолжающаяся от 10^-6 до 1 с после начала. Температура при этом упала от 10¹² до 10¹⁰ К. В это время основную роль играли лептоны, участвовавшие во взаимных превращениях протонов и нейтронов. К концу лептонной эры происходила аннигиляция электронов и позитронов, и опять электронов было немного больше, чем позитронов, поэтому остались только те электроны, которым не хватило пары. Оставшихся электронов оказалось ровно столько, что они смогли точно компенсировать суммарный электрический заряд протонов, появившихся раньше, в адронную эру. В конце лептонной эпохи вещество стало прозрачным для нейтрино, которые перестали взаимодействовать с веществом и с тех пор дожили до наших дней.

Фотонная эра

 

Вслед за лептонной следует фотонная эра (эра излучения), которая продолжалась от 1 с до 1 млн лет. Температура Вселенной снизилась от 109 до 3000 К. На протяжении первых трех минут происходили важнейшие для дальнейшей эволюции Вселенной процессы первичного нуклеосинтеза - соединения протонов и нейтронов (которых было примерно в 8 раз меньше, чем протонов) в атомные ядра. К концу этого процесса вещество Вселенной состояло на 75% из протонов (ядер водорода), около 25% составляли ядра гелия, сотые доли процента пришлись на дейтерий, литий и другие легкие элементы. Правда, не следует забывать, что барионное вещество составляло ничтожную часть Вселенной, ее основными компонентами были фотоны и нейтрино. К этому времени Вселенная стала прозрачной для фотонов, так как излучение отделилось от вещества и образовало то, что в нашу эпоху называется реликтовым излучением. В своей структуре реликтовое излучение сохранило «память» о структуре барионного вещества в момент разделения и представляет собою радиоволны в сантиметровом диапазоне, которые были открыты в 1964 г. Эти сигналы равномерно поступают со всех точек небосвода и не связаны с каким-нибудь отдельным радиоисточником. Их открытие стало серьезным подтверждением концепции «горячей» Вселенной и теории Большого взрыва.

Затем почти 500 тысяч лет не происходило никаких качественных изменений – шло медленное остывание и расширение Вселенной. Вселенная, оставаясь однородной, становилась все более разреженной. Когда она остыла до 3 тысяч градусов, ядра атомов водорода и гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться при этом в электронейтральные атомы водорода и гелия.

В результате образовалась однородная Вселенная, состоящая из трех почти не взаимодействующих субстанций:

1) барионного вещества (водорода, гелия и их изотопов);

2) лептонов (нейтрино и антинейтрино);

3) излучения (фотонов).

К этому времени уже не было высоких температур и больших давлений. Казалось, в перспективе Вселенную ждет дальнейшее расширение и остывание, образование «лептонной пустыни» – что-то вроде тепловой смерти. Но этого не произошло, напротив, произошел скачок, создавший современную структурную Вселенную. По современным оценкам, переход от однородной к структурной Вселенной занял от 1 до 3 миллиардов лет.