Глава 8. Вселенная

8.2. Эволюция Вселенной

8.2.3. Начало начал

В соответствии с решениями Фридмана уравнений Эйнштейна 13–15 миллиардов лет назад, в начальный момент времени, радиус Вселенной был равен нулю. В нулевом объеме была сосредоточена вся энергия Вселенной, вся ее масса. Плотность энергии бесконечна, бесконечна и плотность вещества. Подобное состояние называется сингулярным.

В 1946 году Георгий Гамов и его коллеги разработали физическую теорию начального этапа расширения Вселенной, объясняющую наличие в ней химических элементов синтезом при очень высоких температуре и давлении. Поэтому начало расширения по теории Гамова назвали «Большим Взрывом». Соавторами Гамова были Р. Альфер и Г. Бете, поэтому иногда эту теорию называют «α, β, γ-теория».

Вселенная расширяется из состояния с бесконечной плотностью. В сингулярном состоянии обычные законы физики неприменимы: теория, объединяющая теорию относительности и квантовую физику, до сих пор не построена. По-видимому, все фундаментальные взаимодействия при столь высоких энергиях неотличимы друг от друга. А с какого радиуса Вселенной имеет смысл говорить о применимости законов физики? Ответ – с планковской длины:
начиная с момента времени t_P = R_P/c = 5∙10^–44 c, где G – гравитационная постоянная, h – постоянная Планка, c – скорость света. Скорее всего, именно через t_P гравитационное взаимодействие отделилось от остальных.

Модель 8.3. Эволюция Вселенной

По теоретическим расчетам, в течение первых 10^–36 с, когда температура Вселенной была больше 10²⁸ К, энергия в единице объема оставалась постоянной, а Вселенная расширялась со скоростью, значительно превышающей скорость света. Этот факт не противоречит теории относительности, так как с такой скоростью расширялось не вещество, но само пространство. Эта стадия эволюции называется инфляционной. Из современных теорий квантовой физики следует, что в это время сильное ядерное взаимодействие отделилось от электромагнитного и слабого. Выделившаяся в результате подобного нарушения симметрии энергия и явилась причиной катастрофического расширения Вселенной, которая за крошечный промежуток времени в 10^–33 с увеличилась от размеров атома до размеров Солнечной системы. В это же время появились привычные нам элементарные частицы и чуть меньшее из-за спонтанного нарушения симметрии количество античастиц.

Вещество и излучение все еще находилось в термодинамическом равновесии, а «горячие» фотоны полностью определяли характер излучения Вселенной. Эта эпоха называется радиационной стадией эволюции.

Модель 8.4. Реакции в ранней Вселенной

При температуре 5∙10¹² К закончилась стадия рекомбинации: почти все протоны и нейтроны аннигилировали, превратившись в фотоны; остались только те, для которых не хватило античастиц. Как показали наблюдения, на один барион приходится почти миллиард фотонов – продуктов аннигиляции. Значит, первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составляет одну миллиардную от их числа. Именно из этого «избыточного» вещества и состоит в основном вещество наблюдаемой Вселенной.

Спустя несколько секунд после Большого Взрыва в горячей и плотной Вселенной началась стадия первичного нуклеосинтеза, продолжавшаяся около трех минут. В результате термоядерных реакций образовывались ядра тяжелого водорода и гелия. Затем началось спокойное расширение и остывание Вселенной. Предсказанные количества водорода (75 %) и гелия (25 %) по теории первичного нуклеосинтеза подтверждаются распространенностью легких элементов в космосе в настоящее время.

Примерно через миллион лет после взрыва равновесие между веществом и излучением нарушилось, из свободных протонов и электронов начали образовываться атомы, а излучение стало проходить через вещество, как через прозрачную среду. Именно это излучение назвали реликтовым, его температура была около 3000 К. Гипотезу о существовании такого излучения высказал Георгий Гамов. При расширении Вселенная остывает, поэтому длина волны реликтовых фотонов должна возрастать: в настоящее время регистрируется фон с температурой 2,725 К, что соответствует миллиметровому диапазону. Реликтовое фоновое излучение открыли в 1964 году американские ученые Арно Пензиас и Роберт Вильсон. Оно оказалось в высокой степени изотропным, одинаковым по всем направлениям и своим существованием подтверждает модель горячей расширяющейся Вселенной.

1

Рисунок 8.2.3.1. Модель молодой Вселенной

После рекомбинации вещество начало эволюционировать самостоятельно, из-за вариаций плотности вещества, образовавшихся в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга во время инфляционной стадии, появились протогалактики. Там, где плотность была чуть больше средней, образовались очаги притяжения, области с пониженной плотностью делались все разреженнее, так как вещество уходило из них в более плотные области. Именно так практически однородная среда разделилась на отдельные галактики и их скопления, а спустя сотни миллионов лет появились первые звезды.

Другой причиной образования галактик могли быть гипотетические космические струны – сверхтонкие (толщиной 10–30 см) и сверхтяжелые (10²² г/см) объекты, протягивающиеся через всю Вселенную и сохранившиеся со времен Большого Взрыва. Гравитационное взаимодействие космических струн могло способствовать формированию звездных систем.

В 1992 году была открыта анизотропия реликтового излучения – незначительное отклонение температуры (на 30 мкК) от среднего значения 2,725 К в различных направлениях на небе. Открытие анизотропии реликтового излучения также подтверждает теорию Горячей Вселенной и Большого Взрыва.

2

Рисунок 8.2.3.2. Распределение температуры реликтового излучения. Хорошо заметен дипольная составляющая, вызванная эффектом Доплера. Светлые области отличаются от темных всего на 0,001 К

До сих пор остается открытым вопрос: что существовало до начала расширения Вселенной? Такая же Вселенная, как и наша? Или совершенно другой мир с иными законами природы? Решать эти проблемы нам предстоит в XXI веке.