ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ

     В настоящее время ученые, занимающиеся космологией (это наука о Вселенной), не сомневаются, что наша Вселенная возникла в процессе гигантской катастрофы – Большого Взрыва. Ранее считали, что это случилось 20 миллиардов лет назад, сейчас по уточненным данным эта цифра – 13,75 миллиардов лет. Вопреки расхожему мнению, под Большим Взрывом следует понимать вовсе не взрыв в нашем привычном значении, а резкое расширение пространства, сопровождающееся его качественными изменениями. Многие представляют себе первоначальное состояние Вселенной как некое облако "пыли и газов", которое не понятно откуда взялось, потом сжималось и, вдруг, взорвалось, после чего из !газов! образовались атомы, молекулы и т.п. Такое представление антинаучно и не верно. Что такое Большой Взрыв на самом деле и каково было первоначальное состояние Вселенной, мы поговорим чуть позже, а сейчас давайте представим как к таким заключениям пришли ученые.

     Представление о Большом Взрыве и расширяющейся Вселенной возникло сравнительно недавно. Еще в начале 20-го века, не говоря уже о более раннем времени, в науке господствовала идея о статичности, вечной неизменности Вселенной как целого. Идея неизменности во времени Вселенной казалась сама собой разумеющейся. Хотя в отдельных ее частях могли происходить сложные процессы, мысль об ее эволюции как целого представлялась нелепой. В основе этой идеи был факт видимой неизменяемости астрономических тел и систем – Солнца, планет, наблюдаемых звезд и звездных скоплений. Еще Аристотель называл Вселенную вечной и неизменяемой. А.Эйнштейн тоже находился в плену этой идеи. Создав общую теорию тяготения и получив уравнение, применимое для всей Вселенной, он стал искать его статическое, т.е. не зависящее от времени, решение. Иными словами, он на научной основе построил модель не меняющейся во времени Вселенной, отвергнув ее эволюцию как целого. Однако, как оказалось, полученное им уравнение статических решений не имело! И А.Эйнштейн совершил, как он признал впоследствии, фатальную для ученого ошибку. Чтобы получить именно статическое решение, он изменил само уравнение, введя в него дополнительный и мало обоснованный член.
     Современный этап космологии начался с работ российского ученого А.Фридмана, выполненных в 1922-1924 гг. На основе теории тяготения А.Эйнштейна он разработал математическую теорию движения вещества во всей Вселенной и доказал, что это вещество не может находиться в покое. Иными словами, Вселенная обязана меняться во времени, она должна либо расширяться, либо сжиматься. Соответственно будет изменяться и средняя плотность вещества во Вселенной. Статическая модель для Вселенной оказалась невозможной!

     Вскоре астрономические наблюдения подтвердили теоретически обоснованную новую модель Вселенной – не статической, а развивающейся во времени. В 1929 г. астроном Э.Хаббл установил, что во Вселенной галактики разбегаются друг от друга, т.е. Вселенная расширяется. Скорость удаления любой галактики, а их множество, оказалась пропорциональной расстоянию от точки наблюдения (закон Хаббла). Интересно, что этот закон не зависит от самого положения точки наблюдения – она может быть и на Земле, как у Э.Хаббла, и на любой звезде или галактике. Получается, что нет единого центра, от которого разбегаются галактики, каждая удаляется от всех остальных. Как это может быть? Поясним.
     Вообразим пока еще спущенный резиновый шарик, на поверхности которого мелом нанесено множество точек. Будем его надувать. Шарик приобретет сферическую форму и станет расширяться все сильнее и сильнее. Точки на его поверхности будут удаляться друг от друга, и это независимо от того, какую конкретно точку мы возьмем за начало отсчета расстояний. Удаляться от выбранной точки будут все другие во всех направлениях. Примерно так можно представлять себе и расширяющуюся Вселенную – это некий раздувающийся «пузырь», на поверхности которого находятся удаляющиеся друг от друга галактики. Как следствие, средняя плотность видимого вещества во Вселенной будет уменьшаться.

     Из теории А.Фридмана и из наблюдений Э.Хаббла следовало, что в далеком прошлом Вселенная не была похожа на нынешнюю. Был период, когда не было ни отдельных небесных тел, ни созвездий, ни галактик. Все вещество Вселенной было почти однородным, очень плотным, и оно стремительно расширялось. Гораздо позже в результате действия известных физических законов из него возникли звезды, из них созвездия и галактики, скопления галактик, после чего картина расширяющейся Вселенной приобрела современный вид. С конца сороковых годов такой сценарий для нестационарной Вселенной стал господствующим. Задачей астрофизиков стало объяснение процессов, протекавших во Вселенной на различных этапах ее расширения.
     Одной из теорий, сделавших успешные предсказания о ходе этих процессов, стала Теория горячей Вселенной Г.Гамова (1946-1948 гг.), впоследствии Нобелевского лауреата. В ней все должно было начаться с взрыва, получившего название Большого. В результате его возникло сильно нагретое вещество большой плотности (отсюда и название – «Теория горячей Вселенной»). Дошедшие до нашего времени химические элементы, из которых состоят все наблюдаемые тела, включая и Землю, как бы «сварились» из нуклонов еще в ранней Вселенной на основе известных ядерных реакций. Теория холодной Вселенной этого объяснить не могла – ядерные реакции требуют очень высоких температур.

     Теория горячей Вселенной, эволюция которой началась с Большого Взрыва, сделала два предсказания, которые можно было проверить наблюдениями. Во-первых, вещество, из которого образовывались первые звезды и галактики, должно было состоять на три четверти из водорода и на четверть из гелия. Примесь других, более тяжелых элементов, могла быть незначительной. Во-вторых, в момент Большого Взрыва температура была очень высокой. Это означает, что высокой была и концентрация тепловых фотонов, т.е. первичного электромагнитного излучения.
     Из физики известно, что энергия электромагнитного излучения определяется температурой среды. С уменьшением температуры в процессе расширения Вселенной количество тепловых фотонов останется тем же, но их энергия сильно уменьшится. По Гамову, сейчас Вселенная должна быть заполнена тем же тепловым излучением (оно получило название реликтового), но теперь его энергия соответствует примерно -270° по Цельсию (на 3 градуса выше абсолютного нуля температуры). Оба этих предсказания блистательно подтвердились! Преобладание водорода в составе вещества звезд было установлено давно, а реликтовое излучение было открыто гораздо позже – в 1965 г. А.Пензиасом и Р.Вильсоном. За это открытие они в 1978 г. стали Нобелевскими лауреатами.

     Современный этап в развитии космологии связан с интенсивными исследованиями фазы Большого Взрыва, возникновения и эволюции ранней Вселенной, когда имели место гигантская плотность вещества и исключительно высокие температуры. Естественно, делаются попытки получить ответ на вопрос, что было до Большого Взрыва и в чем его причина. Все вместе, да и по отдельности тоже, представляет собой очень сложную задачу, пытаться решать которую можно только на базе самых последних достижений теоретической физики. В первую очередь, это физика элементарных частиц и теория фундаментальных взаимодействий. Теория суперсилы и суперсимметричной силы, о которой мы рассказывали выше, в приложении к космологии, а это космомикрофизика, во многом позволяет понять, как все происходило, и объяснить почти все наблюдаемые закономерности. Ниже с позиций ксмомикрофизики мы рассмотрим более подробно различные этапы эволюции Вселенной, начиная с Большого Взрыва. Обсудим также и вопрос о том, что было до Большого Взрыва и что к нему привело.

РОЖДЕНИЕ И СМЕРТЬ ВСЕЛЕННОЙ

      Большой Взрыв и Теория горячей Вселенной поставили ряд вопросов. Почему начальная Вселенная в виде огненного сгустка была такой горячей и плотной? Почему она расширялась, хотя гравитация, а это сила притяжения, этому препятствует? И, наконец, что же было до Большого Взрыва? Ответ на все эти вопросы дает нам теория инфляции. В конце прошлого века ее начала развивать группа ученых во главе с Аланом Гутом из Массачусетского технологического института в США. Поговорим о теории инфляции.
     Основу теории инфляции составляет понятие квантового вакуума. В обычной жизни под вакуумом понимают просто абсолютно пустое пространство. Однако в физике квантовый вакуум – это не пустое пространство, а физический объект, обладающий энергией и давлением. Как и всякая квантовая система, он может находиться в различных энергетических состояниях, которые тоже имеют свои названия. Например, состояние с наименьшей энергией – это основное состояние, состояния с более высокими энергиями – возбужденные. Мы живем в очень низкоэнергетическом вакууме. Долгое время считалось, что это и есть его основное состояние с энергией, равной нулю. Сейчас, после недавнего открытия так называемой темной энергии (о ней и еще о темной материи мы поговорим отдельно), считают, что энергия вакуума уже слегка отлична от нулевой.

     Представление о физическом вакууме не как о пустом пространстве имеет экспериментальные основания. Физика элементарных частиц считает, что физический вакуум заполнен полями – электромагнитным, сильным и др., это полевая форма материи. При определенных условиях из физического вакуума «рождаются» частицы. Так, при столкновении протонов в сильном поле «рождаются» пи-мезоны, пары «протон-антипротон» и пр. В сильном электромагнитном поле как бы самопроизвольно «рождаются» пары «электрон-позитрон», мю-мезоны и др. Такие процессы наблюдаются при столкновениях очень тяжелых ионов, когда суммарное электрическое поле двух сблизившихся тяжелых ионов становится экстремально большим. Еще пример из астрофизики. Так, астрономические наблюдения показывают, что очень сильное гравитационное поле около черных дыр (это коллапсировавшие массивные звезды) буквально «кишит» парами «частица-античастица» различного сорта. Все они тоже «рождаются» из физического вакуума.
     В теории инфляции возбужденные состояния квантового вакуума называют «ложными». Особенностями «ложного» вакуума являются его очень высокая энергия и отрицательное давление в нем, которое называют натяжением. Что это такое, можно понять так. Возьмем кусок резины и будем его растягивать. Появится натяжение – сила, направленная не вовне, как с положительным давлением, а внутрь, и эта сила заставляет резину сжиматься. Иначе. Если можно было бы заполнить космическим веществом с отрицательным давлением сосуд, то, в отличие от обычного газа, эта среда не давила бы на стенки сосуда, а стремилась бы их втянуть вовнутрь. Это опять проявление особых свойств суперсимметричной силы, которая управляет процессами в квантовом вакууме.
     Самое странное свойство «ложного» вакуума, которое опять-таки есть проявление свойств суперсимметричной силы, – это отталкивающая гравитация в нем. По теории гравитации А.Эйнштейна гравитационная сила возникает не только из-за массы (т.е. при наличии энергии, так как это эквивалентные величины по А.Эйнштейну), но и из-за давления. Положительное давление вызывает притяжение, отрицательное – отталкивание. В «ложном» вакууме отталкивающее действие давления превышает притяжение, обусловленное энергией (т.е. эквивалентной ей массой). В суммарном итоге будет отталкивание, тем более сильное, чем больше энергия «ложного» вакуума.

     «Ложный» вакуум неустойчив, он быстро распадается с переходом в основное состояние, т.е. возвращается к состоянию «нашего» низкоэнергетического вакуума. Избыток энергии тогда пойдет на создание «файерболла» – огненного шара. Он и будет начальной фазой в «рождении» Вселенной. Этот процесс опять-таки из-за действия отрицательного давления будет сопровождаться бурной инфляцией, расширением, что описывалась в предыдущем разделе. Таким образом, согласно теории инфляции распад «ложного» вакуума и есть Большой Взрыв. После него Вселенная уже будет развиваться под действием суперсилы и в соответствии со стандартной космологией так, как это было описано в предыдущем разделе.
     Алан Гут не изобретал «ложный» вакуум со столь необычными свойствами, какие ему были приписаны. До него все это было уже известно в космомикрофизике и являлось следствием свойств суперсимметричной силы. А.Гут только предположил, что в самом начале истории Вселенной пространство находилось в состоянии «ложного» вакуума. Это сразу объяснило казавшиеся загадочными особенности начального состояния. Действительно, высокая температура возникает из-за высокой энергии «ложного» вакуума. Бурное расширение связано с отталкивающей гравитацией, которая заставляет «ложный» вакуум расширяться, а потом возникший огненный сгусток продолжает расширяться уже по инерции.
     Объясняется и наблюдаемая однородность Вселенной. Поясним эту закономерность, мы ее раньше не отмечали среди других. На первый взгляд кажется, что это не так, ведь, во Вселенной есть звезды, созвездия, галактики, зрительно разбросанные по небу неравномерно. Но в действительности оказывается следующее. Если взять какое-либо направление от Земли, то в среднем распределение вещества вдоль этого направления будет таким же, как и вдоль любого другого. Эту закономерность и отмечают как свойство однородности Вселенной. По теории инфляции такая однородность обусловлена строго постоянной плотностью энергии «ложного» вакуума. Впрочем, она не исключает малых неоднородностей, обусловленных квантовыми флуктуациями (случайными, самопроизвольными отклонениями от равномерного исходного распределения энергии). Впоследствии именно из этих флуктуаций энергии впоследствии возникали флуктуации в равномерном распределении плотности вещества во Вселенной, и образовывались звезды и галактики. Изучение тонкой структуры спектра реликтового излучения, несущего в себе отпечаток таких флуктуаций, очень хорошо подтверждает сделанное утверждение. Кстати, именно за эти исследования Д.Мэтер и Д.Смут стали в 2006 г. Нобелевскими лауреатами.

     Все вышесказанное не снимает естественного вопроса, почему квантовый вакуум оказался в «ложном» состоянии? Когда Вселенная уже существует, ее эволюция описывается физическими законами. Но почему появилась Вселенная, как следует описать ее начало? В конце концов, откуда все же взялась громадная исходная энергия, породившая вещество и излучение Вселенной? Теория инфляции отвечает и на этот вопрос.
     Вселенная спонтанно, т.е. случайно, взялась из ничего! Идея «сотворения» мира из ничего раньше целиком находилась в компетенции религии. Как известно, в христианской вере принимается, что Бог сотворил мир из Ничего. Но в науке возможность самопроизвольного возникновения вещества и энергии в физических процессах считалась абсурдной. И это еще недавно, во второй половине XX века! Вроде бы ничто не может появиться из ничего! Однако достижения космомикрофизики позволили взглянуть на эту проблему по-другому.
     Материя обладает положительной энергией. Из закона ее сохранения следует, чтобы в любом начальном состоянии энергия была ровно такой же. Из математики следует, что замкнутая вселенная с материей и гравитацией, обусловленной этой же материей, обладает нулевой энергией. Энергия материи положительна, но энергия гравитации – отрицательна, так как это притяжение. Можно строго математически доказать, что в замкнутой вселенной, а наша Вселенная как раз такая, вклады положительной и отрицательной частей в полную энергию в точности компенсируют друг друга. В итоге полная энергия замкнутой вселенной в точности равна нулю!

     Когда в конце процесса инфляции энергия превратилась в вещество и излучение (помните «космический суп» в Эру ТВО?), одновременно возникло и гравитационное притяжение, в точности скомпенсировавшее положительную энергию образовавшихся масс и излучения во Вселенной. Следствием такой полной компенсации является уникальность целого ряда характеристик Вселенной. Только один пример.
     Оказывается, что начальная скорость расширения Вселенной очень близка к критическому значению, при котором Вселенная способна преодолеть собственную гравитацию и вечно расширяться. Если бы эта скорость была чуть меньше, то уже произошел бы коллапс Вселенной, если бы чуть больше – космическое вещество давно бы полностью рассеялось. Возникает вопрос, что означает в данном случае слово «чуть». Оказывается, это потрясающе малая величина. Предположим, что к моменту времени в 1 сек с начала Эры ТВО, когда картина расширения уже сложилась, в численной величине реальной скорости расширения мы увеличили или уменьшили на единицу только восемнадцатый знак после запятой. Иначе: добавили или отняли от этой величины цифру 0,00…01 с 17 нулями после запятой. Все, тонкий баланс был бы полностью разрушен. Это означает, что сила взрыва Вселенной с невероятной точностью соответствует ее гравитационному взаимодействию, т.е. это был не какой-то случайный взрыв, а взрыв совершенно определенной силы.
     Если все сохраняющиеся величины в замкнутой вселенной равны нулю, то ничто не будет препятствовать ее спонтанному (случайному) появлению из ничего. Любой процесс, который в квантовой механике не запрещен строгими законами сохранения, с некоторой вероятностью будет осуществляться. Следовательно, замкнутые вселенные, подобно нашей Вселенной, должны появляться из ничего (для наглядности можно провести не совсем точную аналогию с появлением пузырьков в бокале шампанского). Они могут быть разного размера и заполняться разными типами вакуумов. Из теории инфляции следует, что у самых вероятных вселенных будут минимальные размеры и наивысшая энергия вакуума. Стоит такой вселенной появиться, как сразу же под влиянием высокой энергии вакуума начнется ее расширение.

     Отметим еще один момент. Аналогия с пузырьками шампанского не совсем правильна потому, что эти пузырьки появляются в жидкости. У вселенной же никакого окружающего пространства нет. Все имеющееся пространство – это и есть зародившаяся замкнутая вселенная. Пока ее не было, не было ни пространства, ни времени. По А.Эйнштейну, пространство и время связаны воедино в сущность, которая называется «пространство-время». Время начнет свой отсчет только после появления вселенной! Для нашей Вселенной отсчет времени начался с Эры ТВО.
     И все же, что заставило Вселенную появиться из ничего? Удивительно, но факт – причины нет, да она и не требуется! Возьмем, например, нейтрон или радиоактивное атомное ядро. Квантовая механика определяет вероятность распада нейтрона и говорит – его время жизни 15 мин. Также есть определенное время жизни и у радиоактивных атомных ядер. Но это не значит, что тот же нейтрон распадется ровно через 15 мин, этот процесс может случиться и через 1 сек, и через год. Если спросить, почему так, то ответ будет: нет никакой причины, процесс совершенно случаен! Так и с Вселенной – не требуется никакой причины для ее квантового рождения из квантового вакуума. Таковы законы квантовой механики.
     И еще. Распад квантового вакуума – вероятностный процесс. В разных его областях он должен происходить в разное время. Получается, что «наш» Большой Взрыв не является уникальным. Множество таких «взрывов» уже случалось, их несчетное число будет происходить и в будущем. Такой нескончаемый процесс в теории инфляции называется вечной инфляцией. Попробуем по А.Виленкину, а он один из ведущих космологов и автор концепции вечной инфляции, представить, как выглядела бы инфлюирующая вселенная со стороны.
Пространство было бы заполнено ложным вакуумом и очень быстро расширялось во всех направлениях. Распад ложного вакуума в чем-то похож на закипание воды. То там, то здесь спонтанно возникают пузыри низкоэнергетического вакуума. Едва зародившись, они начинают расширяться. Но пространство между ними расширяется еще быстрее, образуя место для новых пузырей. Мы живем в одном из них и видим только его малую часть. Таким образом, по этой концепции мир состоит из бесчисленного множества расширяющихся вселенных-пузырей, чем-то в совокупности напоминающих мыльную пену на поверхности воды. К сожалению, контакт между ними, по-видимому, не возможен.

Современный нам момент эволюции Вселенной крайне удачно приспособлен для жизни, и длиться он будет еще много миллиардов лет. Звезды будут рождаться и умирать, галактики вращаться и сталкиваться, а скопления галактик - улетать все дальше друг от друга. Поэтому времени для самосовершенствования у человечества предостаточно. Правда, само понятие «сейчас» для такой огромной Вселенной, как наша, плохо определено. Так, например, наблюдаемая астрономами жизнь квазаров, удаленных от Земли на 12-13 млрд. световых лет, отстоит от нашего «сейчас» как раз на те самые 12-13 млрд. лет. И чем дальше в глубь Вселенной мы заглядываем с помощью различных телескопов, тем более ранний период ее развития мы наблюдаем.
    Сегодня ученые в состоянии объяснить большинство свойств нашей Вселенной, начиная с момента в 10^-42 секунды и до настоящего времени и даже далее. Они могут также проследить образование галактик и довольно уверенно предсказать будущее Вселенной. Что же сулит им еще более отдаленное будущее, по прогнозам современных ученых? Ясно, что звезды будут тем или иным способом "умирать", но будут образовываться и новые. Этот процесс тоже не бесконечен - примерно через 10¹⁴ лет, из-за действия постоянно растущей энтропии Вселенной, которая приведет к естественному истощению ее энергетических запасов, во Вселенной останутся только слабосветящиеся объекты -  нейтронные звезды и черные дыры. Почти все они также погибнут через 10³⁷ лет, исчерпав все запасы своей энергии. К этому моменту останутся лишь черные дыры, поглотившие всю остальную материю. Что может разрушить черную дыру? Любые наши попытки сделать это лишь увеличивают ее массу. Но «ничто не вечно под Луной». Оказывается, черные дыры медленно, но излучают частицы. Поглащая частицу, черная дыра отдает фотон в свободное пространство. Значит, их масса постепенно уменьшается. Все черные дыры тоже должны исчезнуть примерно через 10¹⁰⁰ лет. После этого останутся лишь элементарные частицы, расстояние между которыми будет намного превосходить размеры современной Вселенной (примерно в 10⁹⁰ раз) - ведь все это время Вселенная расширялась! Ну и, конечно, останется энергия вакуума, которая являясь положительной аннигилирует с отрицательной энергией гравитации. Таким образом, Вселенная придёт к состоянию ложного вакуума, с которого всё и началось. Можно вычислить приблизительный объём Вселенной к моменту её смерти исходя из приведённых выше цифр (см. раздел Структура Вселенной). Гиперобъём Вселенной через 10¹⁰⁰ лет достигнет 1,82661х10⁴⁰⁴ гиперкубических световых лет.

     Приведем теперь краткую схему развития Вселенной от ее рождения до ее вероятной смерти.

ОБЪЕКТЫ ВСЕЛЕННОЙ

    Наша Вселенная полна самых необычных и разнообразных объектов. Смысл данного раздела состоит не в том, чтобы описать их все, … Продолжение »