Космологические модели эволюции Вселенной

Проблемы возникновения и существования Вселенной занимали человека всегда. Небо, доступное его наблюдению, было для него символом вечности и неизменности. Научная космология возникла после создания Ньютоном теории тяготения, которая стала ее теоретической основой. Ньютон построил совершенную систему мира (мир Ньютона), которая стала стандартной парадигмой космологии и на протяжении более двух столетий определяла и формировала мировоззрение многих поколений людей.

В основе классической ньютоновской космологии лежат следующие постулаты.

1. Материальное единство небесного и земного. Мир в целом устроен и развивается в соответствии с законами Природы. Из этого утверждения следует, что физические законы, открытые на Земле, распространяются на всю Вселенную.

2. Пространство и время абсолютны, они не зависят от материи и движения.

3. Вселенная стационарна и вечна, не подвержена развитию. Изменяться могут только конкретные космические системы, но не мир в целом.

4. Вселенная бесконечна, в противном случае вся материя под действием гравитационных сил объединилась бы в единое целое.

Нельзя утверждать, что ньютоновская концепция о бесконечной стационарной Вселенной не вызывала сомнений. В 1826 г. немецкий астроном Г. Ольберс указал в ньютоновской Вселенной на проблему, которая стала известной как парадокс Ольберса. Если количество звезд бесконечно в бесконечной Вселенной, то земной наблюдатель должен видеть ослепительно яркое ночное небо, светящееся сплошным светом. Исходя из того, что ближе лежащие звезды будут затмевать более отдаленные от Земли, Ольберс полагал, что уровень яркости должен быть не бесконечным, а скорее равным солнечному по всем направлениям. И все же небо ночью темное. Почему? На разрешение этого вопроса были направлены усилия многих астрономов в конце ХVIII–начале ХХ в. Объяснение указанного явления нашло в современной космологии в рамках теории нестационарной расширяющейся Вселенной.

В основу всех современных космологических моделей Вселенной положены несколько фундаментальных теоретических построений и астрономических открытий. Наиболее важной теоретической новацией была общая теория относительности, выдвинутая Эйнштейном в 1916 г. В противоположность ньютоновской концепции бесконечной Вселенной, определенной в Евклидовом пространстве, теория Эйнштейна определяет метрику пространственно-временного континуума посредством распределения гравитационных масс во Вселенной. Теоретической основой современных космологических моделей является релятивистское уравнение тяготения Эйнштейна.

Стационарная модель Вселенной. Первая космологическая модель была разрабо-тана самим Эйнштейном. Он исходил из представления о стационарной бесконечной Вселенной, материя в которой распределена равномерно. Как и в космологии Ньютона, стационарная модель Эйнштейна приводила к неограниченному сжатию Мира под действием гравитационных сил. Для предотвращения этого он ввел в уравнение общей теории относительности невероятно малую величину, отображающую космическое отталкивание неведомой природы (). Влияние -члена должно было проявляться только на огромных расстояниях. В том же 1917 г. голландским астрономом В. де Ситтером предложена модель, согласно которой решение уравнения тяготения с -членом переставало быть стационарным и приводило к модели расширяющейся Вселенной.

Модель расширяющейся Вселенной Фридмана. Наш соотечественник математик и геофизик А.А. Фридман решил уравнения общей теории относительности без -члена для Вселенной, не накладывая условия стационарности. Он показал, что согласно общей теории относительности искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься в зависимости от плотности вещества во Вселен-ной (см. рисунок 47). Решения уравнений А.А. Фридмана соответствуют трем моделям Вселенной. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине (), то пространство евклидово и расширяющееся. Если плот-ность меньше критической (), то пространство описывается геометрией Лобачевс-кого и так же неограниченно расширяется. И наконец, если плотность больше критичес-кой (), пространство Вселенной оказывается римановым, и расширение Вселенной со временем сменяется сжатием, которое продолжается до первоначального точечного состояния (модель пульсирующей Вселенной). В настоящее время уравнения, полученные Фридманом, являются общепринятыми для описания эволюции Вселенной.

Все эти теоретические построения космологии не имели связи с реальной действительностью до тех пор, пока американский астроном Э.П. Хаббл не подтвердил расширение Метагалактики. Открытие Хаббла является наиболее важным астрономическим
открытием ХХ в. Им был обнаружен сдвиг линий спектра излучения нескольких галактик в сторону красной части спектра (красное смещение). Интерпретация красного смещения в свете эффекта Доплера приводит к удалению галактик от нашей Галактики со скоростями в сотни километров в секунду.

Хабблу в 1929 г. удалось установить связь между красным смещением и расстоянием (R) до галактики и получить соотношение, из которого следует: скорость удаления галактики () прямо пропорциональна ее расстоянию (R) от наблюдателя (закон Хаббла)

.

Из закона Хаббла следует, что чем дальше находится Галактика, тем с большей скоростью она от нас удаляется. Коэффициент пропорциональности Н называется постоянной Хаббла, которая, вероятно, зависит от эпохи эволюции Вселенной. По современным оценкам равна 75–80 км/ . Открытие Хаббла стало убедительным подтверждением концепции расширяющейся Вселенной А. Фридмана. Расширение Вселенной, а точнее ее видимой части – Метагалактики, нельзя представлять так, что все наблюдаемые галактики «разбегаются» от нас и мы находимся в центре Мира. Вселенная не имеет выделенного центра разбегания галактик, и каждую галактику можно принять за ее центр. Разбегаются все галактики, и в какой бы галактике не находился наблюдатель, он обнаружит, что все остальные галактики от него удаляются так, как если бы, он находился в центре Мира. Часто картину расширения Вселенной иллюстрируют поверхностью резинового надувного шара, на которую нанесены множество точек, каждая из которых представляет галактику или скопление галактик. Начнем надувать шар, он начнет изменять свои размеры, и расстояния между «галактиками» будут увеличиваться.

Но если Вселенная расширяется, следовательно, был момент в далеком прошлом, когда это расширение началось. Тогда никаких отдельных галактик не существовало, все галактики были сконцентрированы в очень малом объеме, принятом называть сингу-лярностью. Теоретические расчеты показывают, что в сингулярном состоянии плотность вещества и излучения составляла невероятно большое значение кг/м³, а радиус Вселенной был м. Планк в 1899 г. показал, что из комбинации мировых констант h, G и  можно составить величину любой размерности, например плотность и длину, которые являются предельными. На планковской длине  перестает «работать» классическая релятивистская общая теория относительности, и теория гравитационного поля должна быть квантовой, которая пока не создана. Таким образом, в сингулярном состоянии Вселенная представляла собой не мегаобъект, а микрообъект, для которого определяющими являются квантовые закономерности. Время от начала расширения Вселенной до наших дней принято за возраст Вселенной, который можно оценить по формуле Хаббла

.

Если принять H = 75 км/(с 10⁶ пк), то возраст Вселенной оказывается равным
13,5 млрд лет. Согласно современным представлениям, возраст Вселенной составляет
13–15 млрд лет.

В современной космологии Метагалактику определяют как часть Вселенной, доступную современным астрономическим методам исследований. Для пояснения смысла такого определения Метагалактики введем понятие космологического горизонта. Предположим, что Вселенная образовалась 13 млрд лет назад, а на расстоянии 15 млрд световых лет находится галактика, которая образовалась 12 млрд лет назад. Эту галактику увидеть сейчас мы не можем, поскольку световые лучи или электромагнитные волны до нас еще не дошли, они еще в пути.

Космологический горизонт находится на расстоянии, которое свет прошел за время, равное возрасту Вселенной. Если возраст Вселенной 13 млрд лет, то горизонт удален от нас на 13 млрд световых лет. Космологический горизонт – это граница Метагалактики, окружает нас со всех сторон в данный момент времени. Ежесекундно эта граница удаляется от нас на расстояние 300000 км, то есть со скоростью света.

Существованием космологического горизонта объясняется парадокс Ольберса. Поскольку наблюдатель в любой части Вселенной видит только конечное число звезд, мы видим свет только от звезд Метагалактики. В радиусе 13 млрд световых лет насчитывается около 10²⁵ звезд, что по астрономическим меркам величина небольшая, в то время как парадокс Ольберса возникает при бесконечно большом их числе.

Космологические модели Вселенной приводят к выводу, что дальнейшая эволюция расширяющейся Вселенной зависит только от средней плотности материи и от значения постоянной Хаббла, которая определяет критическую плотность (, где  – гравитационная постоянная). Здесь следует подчеркнуть, что современная космология является динамичной, быстро развивающейся наукой, концептуальные основы которой претерпели значительные изменения за последние 10–15 лет. Еще совсем недавно считалось, что основной вклад в плотность Вселенной вносит обычное видимое (барионное) вещество, содержащееся в звездах, планетах и межгалактических газопылевых облаках. По данным астрономических наблюдений, среднее значение плотности этого вещества в Ме-
тагалактике составляет примерно , что значительно меньше критической . Это означает, что Вселенная должна расширяться вечно, согласно открытой модели с метрикой пространства-времени, описываемой геометрией Лобачевского. Однако этот вывод в настоящее время космологической наукой подвергается серьезному пересмотру в связи с последними открытиями в астрономии.

Измерения анизотропии реликтового излучения, проведенные в 2003 году спутником WMAP показывают, что метрика Вселенной очень близка к плоской и описывается евклидовой геометрией. Тогда, согласно общей теории относительности, плотность материи Вселенной должна быть близкой к критической и Вселенная будет расширяться вечно.

Однако приведенная выше плотность барионного вещества сама по себе не в состоянии удовлетворить этому условию. Следовательно, наблюдательный материал свидетельствует о том, что в галактиках сосредоточена не регистрируемая телескопами материя. Вопрос, что это за материя, остается пока открытым. Таким образом, в современной космологии возникла проблема «темной материи», именовавшейся ранее «скрытой массой». Усилия астрофизиков многих стран направлены на поиски этой темной материи.

Впервые на проблему темной материи обратил внимание в середине 30-х годов ХХ в. швейцарский астроном Ф. Цвикки. Измеряя скорости, с которыми галактики скопления Волосы Вероники (включает в себя тысячи галактик) движутся вокруг общего центра, он получил неожиданный результат. Оказалось, что наблюдаемая масса скопления (полученная по суммарным светимостям галактик) на два порядка ниже массы скопления, рассчитанной исходя из измеренных собственных скоростей галактик скопления.

В 70-е годы ХХ в. астроном Вера Рубин измеряла скорости вращения галактических объектов в зависимости от их расстояния до центра галактики. Ротационные скорости, вычисляемые из доплеровского смещения в спектре излучения гелия, определяются распределением массы в галактике. Чем сильнее гравитационное поле (больше масса), тем быстрее вращаются вокруг центра галактики звезды и облака газа. Измерения показали, что для многих спиральных галактик скорости остаются практически постоянными на достаточном удалении от центра (20–25 килопарсек).

Приведенные результаты вступают в противоречие с законом всемирного тяготения. Действительно, если аппроксимировать центральную область галактики сферой, то ско-рость вне сферы должна убывать с расстоянием (). Это противоречие легко снимается, если предположить, что вся звездная система погружена в огромную массивную невидимую материю, простирающуюся на расстояния, превышающие в десятки раз видимые границы галактики, и массой на порядок выше всей совокупной массы наблюдаемой материи галактики.

Еще одно важное доказательство существования темной материи связано с расчетами, моделирующими процесс формирования галактик, который начался примерно через
300 тыс. лет после начала Большого взрыва. Из расчетов следует, что барионная материя при низкой плотности не должна конденсироваться в звезды и галактики, поскольку энергия гравитационного притяжения между разлетающимися осколками не могла скомпенсировать их кинетическую энергию разлета.

Если предположить, что газопылевые облака в ранней Вселенной были погружены в темную материю, то процесс формирования звезд и галактик становится возможным. Причем в начале стала конденсироваться темная материя (ее плотность выше), а образовавшиеся сгустки (флуктуации) стали зародышами конденсации обычной (видимой) материи.

Все вышеприведенные факты интерпретируются в современной космологии как неопровержимое доказательство существования темной материи, проявляющейся только посредством гравитации. Установление экспериментальным путем реальности существования темной материи выдвинуло перед учеными важнейшую проблему, касающуюся природы этого вида материи.

Определенная часть исследователей Вселенной считает, что темное вещество вполне может состоять из космических объектов, которые в настоящее время не удается наблюдать из-за огромных астрономических расстояний. Здесь в первую очередь речь может идти о недавно открытом методами рентгеновской астрономии межгалактическом горячем (  К) газе, который не излучает в видимом диапазоне. Его масса примерно в 10 раз превосходит массу видимого вещества, аккумулированного в звездах. Возникает вопрос, почему галактический газ горячий. Причина заключается в том, что внутри галактических кластеров (скоплений) существует ряд галактик, связанных сверхмассивными черными дырами, каждая из которых эквивалентна по массе миллиардам звезд. Некоторые из черных дыр активно поглощают вещество, что к ним приближается, а притягиваясь оно может ускоряться до скорости света. При такой скорости материя сильно разогревается и испускает рентгеновские лучи, по которым астрономы судят о наличии черных дыр. Такие энергетические потоки могут слиться в единый взрыв, эквивалентный 10 миллиардам сверхновых звезд. Энергия этого взрыва, рассеиваясь в космическом пространстве, нагревает межгалактический газ до очень высокой температуры.

Перечисленные выше виды барионной материи образуют так называемую холодную темную материю. Расчеты показывают, что этого вещества недостаточно для объяснения плоского пространства Вселенной и некоторых наблюдаемых явлений.

Недостающее (до критической плотности) вещество многие астрофизики связывают с наличием во Вселенной небарионной материи. Первым кандидатом на этот вид материи является нейтрино.

Ученые нескольких стран смогли зарегистрировать предсказанные Б. Понтекорво так называемые нейтринные осцилляции (самопроизвольное превращение нейтрино разных типов друг в друга). Это возможно только в том случае, если разные типы нейтрино имеют разные массы. Обнаружение у нейтрино массы значительно упрочило позиции ученых, которые видят объяснение скрытой массы в рамках традиционной космологии.

Последние измерения масс нейтрино (В.М. Лобашев ИЯИ РАН г. Троицк) дают следующие верхние границы: < 2,2 эВ/с², < 190 кэВ/с², < 15,5 МэВ/с².

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в последние 10–
15 лет показали, что роль нейтрино может быть существенно более значительной в формировании массы Вселенной, чем предполагалось ранее. Это связано с существованием реликтового нейтрино ультранизких энергий, которые возникли на начальных этапах расширения Вселенной («реликтовое» нейтрино). Из теории следует, что при энергиях (), характерных для реликтовых нейтрино, превращения электронного нейтрино () в мюонное () и мюонного в таонное () должны происходить настолько часто, что во взаимодействиях они должны проявлять свойства всех трех типов нейтрино одновременно. Поэтому эффективная масса реликтового нейтрино может быть значительно больше массы электронного нейтрино, измеряемой при высоких энергиях.

Нейтрино могут образовывать огромные облака, внутри которых они связаны силами гравитации. Но эти облака совершенно невидимы, поскольку нейтрино не взаимодействуют ни со светом, ни с веществом. Их концентрация в среднем по галактике почти в миллиард раз больше, чем концентрация протонов. Поэтому, несмотря на незначительную массу отдельных частиц, суммарная масса нейтрино, по-видимому, не уступает суммарной массе видимого вещества.

Нейтрино могли бы восполнить «недостающую» массу, нужную для того, чтобы Вселенная была замкнутой, на чем настаивают одни ученые и против чего выступают другие.

Помимо нейтрино физики-теоретики предсказывают существование других всепроникающих и слабовзаимодействующих частиц, которые должны иметь гораздо большие массы (фотино, гравитино и др.).

Модель горячей Вселенной. Наиболее распространенной моделью в космологии является модель изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, предложенной в 60–70 гг. ХХ в. В основу этой модели положена предложенная американским физиком Г. Гамовым в 1946 г. идея горячей Вселенной. Согласно этой идее для изучения состояния материи в ранней Вселенной, когда она имеет плотность порядка 10⁹⁷ кг/м³, необходимо ОТО соединить с квантовой механикой. Это связано с тем, что в сингулярном состоянии и на ранней стадии расширения Вселенной материя представлена в виде излучения и элементарных частиц и Вселенная должна быть горячей. По расчетам Гамова по истечению 0,1 с от начала расширения температура Вселенной составляла около 10¹⁴ К. Гамов исходя из гипотезы «горячей Вселенной» предсказал существование в настоящее время остаточного теплового излучения первичной горячей плазмы с температурой 5–6 К, которое астрофизиком Шкловским было названо «реликтовым излучением».

В начале 1965 г. А.А. Пензиас и В.В. Вильсон, обеспечивая связь со спутником «Эхо», изучили «радиошумы» Галактики. Они обнаружили приходящее со всех сторон фоновое излучение, которое не могло быть отнесено к какой-либо звезде или другому космическому объекту. Температура этого излучения составляла около 2,7 К. Реликтовое излучение пронизывает все пространство, все галактики, и оно участвует в расширении Метагалактики. Наличие реликтового излучения означает, что большой взрыв произошел не в отдельной, избранной точке Космоса (в противном случае оно не приходило бы на Землю со всех сторон). Большой взрыв характерен для всего изначального космоса, в начальный момент разные точки пространства не могли ничего «знать» друг о друге и имели одинаковую температуру (точка по отношению к другой находилась за горизонтом). Модель Большого взрыва (горячей Вселенной) не разрешает проблему сингулярности при экстраполяции Вселенной назад в прошлое. В первоначальной модели горячей Вселенной не удавалось объяснить и происхождение скоплений галактик гравитационной неустойчивостью Метагалактики. Попытки исключения сингулярности из рассмотрения эволюции Вселенной привели некоторых ученых к теории «Бесконечно пульсирующей Вселенной». В соответствии с этой теорией Вселенная расширяется, затем сжимается, а затем вновь расширяется и снова сжимается. Эта теория снимает проблему начала и конца Вселенной, но порождает другую проблему: в ее рамках невозможно объяснить причину этих пульсаций.

Концепция инфляционной Вселенной. В 1981 году Гут предложил модель Большого взрыва, названную «раздувающейся (инфляционной) Вселенной». В этой модели расширение вблизи сингулярности существенно отличается от модели горячей Вселенной. Суть этого отличия в том, что вблизи сингулярности ( с)) в условиях чрезвычайно высокой плотности энергии-материи ( >0) квантовому вакууму отвечает уравнение состояния  (  – давление). Давление внутри квантового вакуума отрицательно, и согласно теории Эйнштейна гравитационные силы становятся силами отталкивания. В квантовом вакууме с отрицательным давлением возможны гигантские квантовые флуктуации, которые и стали причиной Большого взрыва. Под действием гигантских сил отталкивания квантовый вакуум стал невообразимо быстро расширяться, примерно за 10^-30 с его размеры увеличились в 10³⁰ раз. Гигантские квантовые флуктуации энергии привели к превращению виртуальных частиц в реальные из которых образовалась Метагалактика. Часто Метагалактику отождествляют со всей Вселенной. Однако в последние два десятилетия появились теории возникновения множественных метагалактик из физического (квантового) вакуума.

Эти метагалактики можно представить в виде сфер различных диаметров как связанных, так и не связанных (изолированные сферы) между собой в бесконечном трехмерном евклидовом пространстве. При моделировании возникновения метагалактик исходят из пространства, заполненного физическим вакуумом, т.е. особой однородной (в среднем) средой. В этой среде происходят флуктуации, наподобие сильно вязкой кипящей жидкости. Образовавшиеся гигантские пузырьки, отщепляясь от фона, начинают жить по собственным законам (подобно солитону) и эволюционируют в метагалактики, похожие на нашу Метагалактику. Рождение закрытых метагалактик не требует привнесения в вакуум внешней энергии, так как их полная энергия в соответствии с теорией гравитации равна нулю. Таким образом, закрытая метагалактика может рождаться спонтанно из квантового вакуума.

Модель раздувающейся Вселенной в корне отличается от картины Мира Фридмана, в которой понятия Метагалактика и Вселенная тождественны. Однородная и изотропная Вселенная Фридмана заменяется на Мир предельно неоднородный и неизотропный, состоящий из множества огромных доменов (областей) размером 10⁵⁰–10¹⁰⁰ см. В одном таком маленьком домене находится наша наблюдаемая Вселенная размером в 10²⁸ см.

Космологическая Лямбда-СДМ модель. Если одна часть ученых стремится решить проблему скрытой массы в рамках традиционной космологии, то другая часть занялась поисками темной материи в мире экзотических элементарных частиц. В частности, большие надежды они возлагают на еще неизвестные науке (неоткрытые) тяжелые элементарные частицы с экзотическими свойствами. И хотя они еще не обнаружены, им уже присвоено специальное название – «WIMP», что означает слабовзаимодействующие массивные частицы. Эти частицы с массами в 100– 1000 масс протонов образуют так называемую небарионную холодную темную материю. Их особенность состоит в том, что они электрически нейтральны, как и нейтрино, практически не взаимодействуют с обычным веществом, поэтому они себя никак не проявляют. Кроме того, эти частицы не должны распадаться на другие, более легкие частицы, иначе бы они распались за время существования Вселенной. А это означает, что в природе должен действовать новый, не открытый пока закон сохранения, запрещающий этим частицам распадаться.

Единственное, что связывает темную материю из WIMP-частиц с обычным веществом – это ее гравитационное взаимодействие, способность конденсироваться в галактику или скопление галактик. По оценкам сторонников космологической модели Лямбда-СДМ на долю WIMP-частиц приходится около 25 % массы всей Вселенной и только 5 % на барионную материю. Аббревиатура СДМ означает cold dark matter, что переводится – холодная темная материя. Смысл термина «лямбда» станет понятным из последующего изложения модели. В основу рассматриваемой модели положена гипотеза о существовании темной энергии, введение которой, по мнению ее авторов, решает проблему скрытой массы и объясняет ряд космологических наблюдений.

В конце 1990-х годов было обнаружено, что в удаленных галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые имеют яркость ниже той, которую они должны иметь. Иными словами, расстояние до этих галактик, вычисленное по методу «стандартных свеч», оказывается больше расстояния, вычисленного на основании ранее установленного параметра Хаббла. Был сделан вывод: параметр Хаббла для относительно близких галактик выше, чем для далеких галактик. То есть параметр Хаббла не является постоянной величиной, он увеличивается со временем. Следовательно, Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением. Неожиданность такого вывода заключается в том, что все существующие космологические модели приводили к расширению Вселенной с замедлением, вследствие гравитационного взаимодействия. В рамках рассматриваемой концепции ускоренное расширение Вселенной объясняется существованием неизвестного вида энергий с отрицательным давлением, которую назвали темной энергией.

Поскольку барионная и темная материя составляет около 30 % от критической плотности, необходимой для образования евклидовой Вселенной, то неизвестная форма невидимой энергии должна дать недостающие 70 % плотности Вселенной. В рамках данной концепции темная энергия – это атрибут пространства: то есть, любой объем пространства имеет вполне определенную, фундаментальную, неотъемлемо присущую ему энергию. Эйнштейновская общая теория относительности предсказывает, что темная энергия должна оказывать гравитационное действие в силу эквивалентности энергии и массы . Самое необычное свойство темной энергии заключается в том, что она испытывает антигравитацию, которая ответственна за ускоренное расширение Вселенной. Поэтому ее ассоциируют с космологической константой ( -членом) в теории эволюции Вселенной Эйнштейна. Темная энергия не собирается в сгустки, а равномерно распределена во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их.

Часто космологическую модель Лямбда-СДМ рассматривают как дальнейшее развитие инфляционной модели Вселенной Гута. В инфляционной модели возникновение Вселенной связывается с физическим вакуумом. По окончании инфляции (около ) скалярное поле вакуума отдало свою энергию на рождение обычных частиц и исчезло, так что затем Вселенная эволюционировала согласно модели Фридмана с нулевым значени-
ем .

Однако некоторые физики-теоретики из числа сторонников Лямбда-СДМ модели допускают, что плотность вакуумного поля могла не упасть до нуля, а стабилизироваться на каком-то низшем, отличным от нуля, уровне. С этой плотностью физического вакуума ассоциируется рассматриваемая темная энергия. В этом контексте она выступает как атрибут пространства.

Другое «объяснение» заключается в том, что темная энергия – это просто «стоимость» существования пространства, любой объем пространства имеет некую фундаментальную, неотьемлемо присущую ему энергию. Это и есть космологическая константа – -член, фигурирующий в ОТО Эйнштейна. Концентрированно содержание Лямбда- СДМ модели можно выразить так: в наблюдаемой Вселенной доминирует темная энергия, которая по плотности превосходит все обычные формы космической материи вместе взятые. Темная энергия создает космическую антигравитацию, которая управляет динамикой космологического расширения в современную эпоху. Из-за этого космологическое расширение ускоряется, а четырехмерное пространство–время становится квазистатическим.

Чтобы как-то прояснить экзотическое явление антигравитации выясним, как давление может быть отрицательным. Давление обычного вещества, как известно, связано с передачей импульса молекулами газа стенке сосуда.

Свободные частицы не могут создать отрицательное давление, не могут тянуть стенку на себя, но в твердом (жидком) теле подобное вполне возможно. Например, на молекулы поверхностного слоя жидкости действует равнодействующая сила, направленная внутрь жидкости. Под действием этой силы жидкость стремится сократить свою поверхность.

Другим примером служит оболочка надутого воздушного шарика. Каждый его квадратный сантиметр растянут и стремится сжаться, что наблюдается при появлении дырочки на оболочке шарика. В воздушном шарике отрицательное натяжение равномерно
распределено по всей поверхности, причем при его надувании энергия, запасенная в натяжении оболочки, будет расти. Сходным образом ведет себя при расширении Вселен-
ной темная энергия. В связи с этим возникает вопрос, почему темная материя ускоряет расширение Вселенной, а не замедляет, как это должно быть под действием отрицательного давления. Дело в том, что согласно ОТО гравитация зависит не только от массы, но и плотности энергии , которая связана с давлением соотношением (). При этом, чем больше давление, тем сильнее гравитация, а чем больше отрицательное давление, тем оно слабее. В модели Лямбда-СДМ отрицательное давление темной энергии столь велико, что оно пересиливает притяжение массы всего вещества. Получается, что массивная субстанция с очень большим отрицательным давлением не сжимается, а наоборот раздува-ется под действием гравитации. Таковы свойства гравитации, выраженные уравнением Эйнштейна.

Данная космологическая концепция не является общепризнанной, она была подвергнута серьезной критике ее противниками. Критики выступают не против темной материи, как таковой, поскольку ее существование стало научным фактом уже на протяжении нескольких десятилетий, а против ее наделения парадоксальными, по их мнению, свойствами, которые не находят экспериментального подтверждения.

Критике были подвергнуты следующие положения концепции ускоренно расширяющейся Вселенной.

1. Темная материя и темная энергия введены ad hoc, т.е. для данного случая, в количествах, достаточных для объяснения недостающей наблюдаемой массы, и для того, чтобы объяснить наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной.

2. Темная материя наделена необычными свойствами, которые не находят непосредственного экспериментального подтверждения. Ее образуют гипотетические частицы, обладающие очень большой массой покоя, но во взаимодействие с обычным веществом не вступают и электрически нейтральны. Большая масса покоя объясняет, почему эта частица экспериментально пока не обнаружена – нет таких ускорителей.

3. Не менее загадочными свойствами обладает темная энергия. Она введена для объяснения расширения Вселенной и также не обнаружена экспериментально. Темная энергия обеспечивает антигравитацию и соответствует состоянию материи с отрицательным давлением. Эта энергия распределена равномерно по всей Вселенной. Критики усматривают в этом возврат к концепции мирового эфира, отвергнутой наукой в начале ХХ в.

Математически отталкивание материи ввел Эйнштейн в виде -члена в своей концепции стационарной Вселенной, от которого он впоследствии отказался в пользу концепции расширяющейся Вселенной Фридмана. Теперь эту модель реанимируют, а -член получает физическое обоснование с помощью темной материи-энергии.

4. Выступают противники рассматриваемой модели и против доказательств евкли-довости пространства. Предложенный метод неубедителен тем, что момент перехода
Вселенной плазма–газ можно оценить в лучшем случае с коэффициентом 2 в ту или иную сторону. Поэтому будет ли евклидова Вселенная, если размер ячейки принять 150 или
600 тыс. световых лет, неизвестно. Следовательно, евклидовость Вселенной необходимо доказывать несколькими независимыми способами.

Острая дискуссия сторонников и противников концепции ускоренно расширяющейся Вселенной говорит о том, что в ближайшее десятилетие космологию ждет новый пересмотр ее концептуальных основ.

Элементарные частицы и Вселенная. В инфляционный период температура Вселенной составляла около 10²⁸ К. При таких невообразимо высоких температурах элементарные частицы существовать не могли и вся материя была представлена излучением,
состоящим из сверхтяжелых Х -частиц с массой ГэВ. Х -бозоны являются квантами гипотетического поля Хиггса, которые переносят одновременно слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. На этом этапе развития Вселенной материя находилась в суперсимметричном состоянии, а фундаментальные взаимодействия были слиты воедино (Великое объединение).

Представить это суперсимметричное состояние поможет следующий мысленный эксперимент. Как известно, на Земле имеется множество твердых тел, отличающихся друг от друга физико-химическими свойствами и геометрической симметрией. Начнем мысленно увеличивать температуру Земли. При достижении трех-четырех тысяч градусов все твердые тела перейдут в достаточно гомогенную жидкость. Дальнейшее увеличение температуры превратит этот расплав в газ, содержащий лишь элементы таблицы Менделеева. Все твердые тела потеряли свою симметрию и индивидуальные свойства. Можно представить такую температуру, при которой атомы распадаются на нуклоны и электроны, т.е. все многообразие веществ будет представлено всего несколькими элементарными частицами. Продолжая неограниченно увеличивать температуру, мы придем к нивелировке элементарных частиц, когда вся материя будет состоять из Х -частиц. При охлаждении материи будет наблюдаться обратный процесс. Сверхтяжелые Х -бозоны с дробными зарядами  могут распадаться по схемам

,