Текст книги "Взрыв мироздания"

Глава 2. Под лавиной космологической инфляции

В настоящее время физики вынашивают мысль, что Вселенная в ее первоначальном «игрушечном» состоянии, по-видимому, образовалась из ничего в результате случайного процесса и что, может быть, даже существует бесконечное число таких крошечных протовселенных, непрерывно образующихся в бесконечном объеме пустоты, и мы живем в одной из бесчисленного множества вселенных.

Впрочем, большинство физиков довольствуются тем, что прослеживают Вселенную вспять до Большого взрыва и тут ее оставляют. Есть значительная неуверенность относительно начальных стадий этого огромного феномена, а также перехода от Большого взрыва к Вселенной в ее настоящем виде. Самые ранние периоды эволюции Вселенной все еще за семью печатями.

А. Азимов.

Взрывающиеся солнца.

Тайны сверхновых

Представим себе горный склон, покрытый снегом, в который вкраплены разнородные мелкие предметы – камешки, ветки, кусочки льда. Кто-то, находящийся на вершине этого склона, слепил снежок и пустил его катиться с горы. Двигаясь вниз, снежок увеличивается в размерах, поскольку на него налипают новые слои снега со всеми вкраплениями. Чем больше размер снежка, тем быстрее он будет расти. Очень скоро снежный шарик превратится в огромный ком. Если склон заканчивается пропастью, то он полетит в нее, и скорость полета будет все время увеличиваться. Достигнув дна, ком разобьется, и его составные части разлетятся во все стороны.

Теперь опишем основные положения теории, используя приведенную аналогию. Прежде всего, необходимо построить «арену действия» и для этого ввести гипотетическое поле, которое физики назвали «инфлатонным» (от слова «инфляция»). Это поле, как снег на склоне горы, заполняет собой все пространство. Благодаря случайным колебаниям оно принимает разные значения в произвольных пространственных областях и в различные моменты времени. Ничего существенного не происходит до тех пор, пока случайно не образовывается однородная конфигурация этого поля критического размера.

Сразу после этого пространственная область, занятая флуктуацией, начинает очень быстро увеличиваться в размерах, а учитывая стремление инфлатонного поля занять положение, в котором его энергия минимальна, процесс расширения приобретает лавинообразный характер, и по склону горы мчится снежный поток. Такое расширение продолжается невообразимо малую долю секунды, но этого хватает, чтобы диаметр Вселенной вырос почти до одного сантиметра.

Инфляция заканчивается, когда инфлатонное поле достигает минимума энергии – дальше падать некуда. При этом накопившаяся кинетическая энергия переходит в энергию рождающихся и разлетающихся частиц, иначе говоря, происходит нагрев Вселенной. Как раз этот момент и называется сегодня Большим взрывом.

Инфлатонная гора, о которой говорилось выше, может иметь очень сложный рельеф – включая разнообразные минимумы – долины и впадины, холмы и кочки. Снежные комья (будущие вселенные) непрерывно рождаются наверху горы колебаниями – флуктуациями – поля. Каждый ком может скатиться в любой из минимумов, породив при этом свою вселенную со специфическими параметрами. Новые вселенные могут существенно отличаться друг от друга как составом материи, так и физическими законами. Что же касается свойств нашей Вселенной, то они удивительным образом оказались приспособленными к тому, чтобы в ней возникла разумная жизнь. Другим вселенным в этом отношении, возможно, повезло меньше.

В последние десятилетия развитие космологии и физики элементарных частиц позволило более подробно рассмотреть самую начальную сверхплотную стадию инфляционного расширения Вселенной. Получается, что Вселенная рождалась в два приема: проходя стадию «увеличения объема», заполненного физическим полем, но не содержащим ни вещества, ни излучения, – и стадию появления вещества и излучения и последующего образования из него звезд, галактик, планет и всего прочего.

Ученые, разрабатывающие космологические сценарии инфляционного рождения нашего мира, предлагают самые разнообразные физические механизмы этого процесса. Среди прочих гипотез выделяется оригинальностью теория вечной инфляции, предполагающая, что квантовые флуктуации, подобные тем, которым мы обязаны существованием нашего мира, могут возникать самопроизвольно и в любом количестве. Они способны давать начало рождению все новых и новых вселенных. Не исключено, что и наше мироздание вышло из флуктуационной зоны, сформировавшейся в мире-предшественнике. Точно так же можно допустить, что когда-нибудь и где-нибудь в нашей собственной Вселенной возникнет флуктуация, которая создаст юную вселенную совсем иного рода, тоже способную в дальнейшем к космологическому «деторождению». Можно пойти дальше и построить модель, в которой инфляционные вселенные возникают непрерывно, отпочковываясь от своих родительниц и находя для себя собственное место.

Случайные отклонения энергии физического ваку ума, запускающие инфляционный процесс, могут случаться в неодинаковых формах. Это означает, что остывшие после инфляции вселенные отнюдь не копируют друг друга. Речь идет даже не о том, что они могут различаться по внешнему виду и потому эволюционировать по-разному. Вполне можно допустить, что в них устанавливаются различные физические законы или одни и те же законы, но с разными значениями фундаментальных физических постоянных (например, скорости света). Эти вселенные не обязательно будут обладать лишь тремя пространственными осями, число измерений может быть и другим.

Сценарий хаотической инфляции

Помните, мы говорили об искривлении пространства? Двухмерный мир на листе бумаги нетрудно изогнуть таким образом, что получится какая-нибудь незамкнутая поверхность, например, нечто похожее по форме на седло. А если очень уж постараться, то можно согнуть плоский лист и в замкнутую сферу.

Подобным же образом искривленное трехмерное пространство может быть разомкнутым, а может быть и замкнутым. Каким именно оно станет, зависит от многих обстоятельств. Например, если плотность материи в таком мире будет ниже некоей критической величины, то он окажется незамкнутым, сможет расширяться до бесконечности. Тогда луч света, выпущенный из какой-либо точки внутри него, никогда не вернется назад, разве что отразится, натолкнувшись на какую-либо преграду. Если же плотность вещества превысит некоторое критическое значение, то пространство окажется замкнутым. Оно будет то расширяться, то сжиматься, не выходя все-таки за некоторые пределы.

В свое время Ньютон полагал, что пространство плоское и бесконечное. Эйнштейн разрешил нашему миру быть не только безграничным и кривым, но и замкнутым. Новейшие данные, полученные в процессе исследования реликтового излучения, свидетельствуют о том, что Вселенная вполне может быть замкнута сама на себя. Получается, что если все время удаляться от Земли, то в какой-то момент начнешь к ней приближаться и в конце концов вернешься назад, облетев всю Вселенную.

Наглядно такой пульсирующий замкнутый мир можно представить в виде резинового шара, который то раздувается, то спускает воздух. Разумеется, при всем старании нам вряд ли удастся раздуть камеру больше критического объема поверхности, за которым последует ее разрыв. В данном замкнутом пространстве свет, направленный в одну сторону, может облететь всю полость и вернуться с другой стороны, так и не вырвавшись наружу.

Видный физик-теоретик Моисей Марков создал математический образ подобного мира и назвал такие образования фридмонами – в честь впервые указавшего на возможность их существования российского ученого Александра Фридмана.

Удивительные вещи должны происходить в таком замкнутом мире. Попробуем описать их опять-таки при помощи упрощенной двухмерной аналогии. Пусть наши плоские существа живут теперь не просто на искривленной плоскости, а на поверхности сферы. Для наглядности можно воспользоваться моделью двумерного мира, населенного плоскими разумными существами. В таком мире действовали бы иные физические законы, и сила взаимодействия между двумя зарядами изменялась бы в другой пропорции от расстояния.

Двумерные существа, будучи соответствующим образом искривленными, могли бы жить на искривленной поверхности, например на сфере, центр которой недоступен для наблюдений их двумерными приборами. Они могли бы построить модель Вселенной как целого, безграничную, но конечную, содержащую конечное количество квадратных километров. Модель охватывала бы все, доступное их чувствам и физическим приборам, но с точки зрения внешнего наблюдателя их мир – лишь часть чего-то более обширного. Очевидно, вопрос, интересующий двумерных аборигенов, состоит в том, можно ли считать внутренность сферы с центром и охватывающее сферу внешнее пространство реально существующими, если до сих пор они себя никак не проявляли в сферическом мире и, может быть, никогда и не проявят? Нарисованная картина без особых проблем может быть перенесена и на трехмерные сферы, находящиеся в пустом (а пустом ли?) неискривленном (или даже искривленном) пространстве большего числа измерений.

Полностью замкнутый мир никоим образом, по идее, не проявляет себя вовне: из него не проникают наружу даже световые лучи. Значит, снаружи он должен представлять для стороннего наблюдателя нечто, не имеющее ни размеров, ни массы, ни электрического заряда.

Таким образом, в нашем воображении вырисовывается фантастическая картина. Быть может, и наша Вселенная со всеми ее солнцами, млечными путями, туманностями, квазарами – всего лишь один из фридмонов. Впрочем, фридмоны не обязательно должны заключать в себе только гигантские мироздания. Их содержимое может быть и более скромным: например, лишь одна галактика, звезда…

Если исходить из теории фридмонов, получается, что любая элементарная частица в принципе может оказаться входом в иные миры. Проникнув через ее поверхность, мы можем очутиться в иной вселенной с трудновообразимым содержимым, причудливыми галактиками, странными цивилизациями. Оглянувшись же назад, мы бы увидели, что наша родная Вселенная сжалась до микроскопических размеров. Если бы мы захотели вернуться назад, пришлось бы снова проделать весь путь по коридору между мирами.

Путешествуя по различным фридмонам, мы встречали бы каждый раз новую реальность, и наше путешествие по иным мирам продолжалось бы бесконечно. Интересно, что такие путешествия могли бы привести не только к перемещениям в пространстве, но и во времени. Так, во всяком случае, полагает Стивен Хокинг со своими единомышленниками.

В свете открытий последних лет инфляционная гипотеза получила существенное подтверждение, а некоторые астрофизики считают, что она вполне способна произвести своеобразный переворот в космологии. Суть инфляционного сценария заключается в следующем.

Кроме колебаний напряженности электромагнитных полей существуют также флуктуации энергии гравитационного поля – вот эти флуктуации тоже должны были усилиться при раздувании Вселенной и превратиться в гравитационные волны. Их можно было бы заметить, анализируя реликтовое излучение, – и тогда наступил бы окончательный триумф инфляционной гипотезы.

Сама гипотеза говорит, что Вселенная до Большого взрыва была частью чего-то гораздо большего. Это «нечто» существовало и существует всегда, и материя в нем находится в бесструктурном состоянии – нет ни атомов, ни частиц. Потом наш кусочек этого «нечто» начал стремительно раздуваться и за малые доли секунды из микроскопического превратился в гиганта: Вселенная растянулась и стала большего размера, чем мы видим. Она и сейчас больше, ведь мы видим меньше одной сотой ее части.

Вселенная по инфляционному сценарию выглядит совсем иначе, чем в космологии Фридмана. Главное следствие из развития инфляционной Вселенной – это невообразимое множество миров, возникающих каждое мгновение и исчезающих в коллапсе Большого хлопка.

Наша Вселенная – отнюдь не весь мир, а только маленькая его часть. Можно ли в таком случае выйти за его границы и попасть в «параллельный мир»? Математически это выглядит так, что между «пузырями» вселенных всегда есть инфляционные области. А там пространство расширяется столь быстро, что никакой сигнал не может успеть его преодолеть. Практически это означает, что из одной части Вселенной в другую попасть нельзя – для этого нужно каким-то образом попасть назад в прошлое, в доинфляционную стадию, и только потом пойти в будущее по линии эволюции новой Вселенной. Это сейчас представляется физикам невозможным.

Из новой космологии также следует, что возможны вселенные с другими свойствами, например, с другими квантовыми законами. Из всей новой космологии есть очень важное для нашего мира следствие: вариантов будущего Вселенной множество.

Глава 3. Новорожденная вселенная

Хотя действие известных ныне физических законов и невозможно экстраполировать в прошлое до самого начального момента или даже в область, где вступает в силу квантовая теория гравитации, тем не менее можно построить модель Вселенной начиная почти с первой микросекунды ее существования с достаточной уверенностью, что ее физическая сущность понимается правильно. Проследить развитие Вселенной на протяжении этих первоначальных удивительно кратких мгновений – бесспорно, одно из самых величайших, буквально захватывающих дух дерзаний, которые когда-либо предпринимались наукой. Поистине невероятно, что удается осмысленно описать состояние Вселенной в «возрасте» менее одной секунды!

П. Девис.

Пространство и время в современной картине Вселенной

Когда Фридман впервые применил свои решения уравнений общей теории относительности ко всей Вселенной в целом, он получил настолько неожиданный результат, что некоторое время его оспаривал сам Эйнштейн. По Фридману получалось, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, должна расширяться или сжиматься. Сегодня никто уже не пытается оспаривать полученные Фридманом уравнения и они лежат в основе всей современной космологии развивающейся и увеличивающейся Вселенной.

Оставалось понять, какие физические превращения происходили и происходят на различных стадиях расширения нашего мира. Одним из первых к исследованию данной интереснейшей проблемы рождения вещества нашего мира приступил видный американский физик русского происхождения Георгий Гамов. Именно он в сороковых годах прошлого века заложил основы фундамента современной космологии и космогонии – модели «горячей Вселенной».

Согласно модели горячей Вселенной, плазма и электромагнитное излучение на ранних стадиях расширения Вселенной обладали очень высокой плотностью и энергией. В ходе расширения Вселенной эта температура неуклонно падала. Затем равновесие образовавшегося водорода и гелия с излучением нарушилось – кванты излучения уже не обладали необходимой для ионизации вещества энергией и проходили через него как через прозрачную среду. Температура обособившегося излучения продолжала снижаться и к нашей эпохе составила всего несколько градусов Кельвина.

Это излучение сохранилось до наших дней как эхо эпохи бурного рождения Вселенной в катаклизме Большого взрыва. Оно служит одним из главных доказательств не только реальности сценария «горячей Вселенной», но и самого Большого взрыва. Реликтовое излучение образует микроволновой фон Вселенной. Родившись в пучинах Большого взрыва, оно заполняет все окружающее пространство так, что, если бы мы могли видеть в микроволновом диапазоне, то видели бы небосклон, пылающий во всех направлениях.

После инфляционной стадии чрезвычайно быстрого расширения пейзаж младенческого космоса стал стремительно меняться. До 300-тысячелетнего возраста Вселенная представляла собой кипящий котел из электронов, протонов, нейтрино и излучения, которые взаимодействовали между собой и составляли единую среду, равномерно заполнявшую всю раннюю Вселенную. Общее расширение Вселенной постепенно охлаждало эту среду и, когда температура упала до значения нескольких тысяч градусов, наступило время для формирования стабильных атомов.

Одной из самых интригующих загадок астрономии является наличие скрытой массы Вселенной (или темной материи), возникшей почти сразу после Большого взрыва, в отличие от знакомых нам атомов. Астрономы уже давно подозревали, что с составом Метагалактики происходит что-то неладное. Сказать что-либо более точное об основном составе вещества нашей Метагалактики трудно, поскольку оно очень слабо взаимодействует с радиоволнами и светом, чем и объясняются трудности его обнаружения. Однако, как и «нормальная» материя, темная составляющая Вселенной обладает гравитацией, поэтому способна сама собираться в сгущения и притягивать «нормальную». Сегодня уже достоверно известно, что галактики окружены кольцеобразными ореолами (гало) из темной материи, которые в десятки раз массивнее видимых частей галактик.

Темная материя, возможно, играла очень важную роль в эволюции нашего мира, служа теми гравитационными «зернами», которые вызывали увеличение плотности энергии в небольших областях пространства. Гравитационные силы этих областей притягивали к себе все окружающее вещество, становясь зародышами будущих галактик.

Астрономы предполагают, что важную роль на начальной стадии формирования галактик могли также играть черные дыры, собирая материю вместе посредством своей мощной гравитации. Новые открытия сверхмассивных черных дыр в центрах галактик только прибавляют в этом уверенности. Такая связь, естественно, вызывает вопрос и о том, что появилось сначала – галактика или черная дыра, хотя последние данные в большей степени указывают на то, что именно черные дыры формируют вокруг себя галактики.

До момента, который наступил примерно через миллион лет после начала расширения, Вселенная была непрозрачной для квантов света. Поэтому с помощью электромагнитного излучения нельзя заглянуть в предшествующую эпоху. На сегодняшний день это можно сделать только с помощью воображения и теоретических моделей.

Сценарий эволюции горячей Вселенной

Очень долго (и окончательно споры еще не утихли) ученые обсуждали вопрос: почему окружающая природа состоит из материи, а не антиматерии, и существуют ли антимиры во Вселенной.

Вначале расширения Вселенной ее температура была столь высока, что энергии хватало для рождения пар всех известных частиц и античастиц. Затем температура понизилась, так что почти все частицы и античастицы взаимно уничтожились – аннигилировали, превратившись в излучение. А фотоны, энергия которых к этому времени стала меньше, уже не могли порождать частицы и античастицы.

Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составлял ничтожную миллиардную долю от их общего числа. Именно этих избыточных протонов и нейтронов хватило на то, чтобы сформировать вещество современной Метагалактики. Так наш мир не превратился в антимир.

Издалека видимая Вселенная кажется приблизительно однородной, т. е. все точки и направления в космосе почти равноправны. Это очень важное допущение однородности Метагалактики, распространяемое и на невидимую Вселенную, позволяет успешно строить космологам самые разные модели развития нашего мира – ведь описывать рельеф пустыни гораздо проще, чем нагромождения скал! Какая из этих моделей более-менее правильна, покажет будущее, а пока для окончательных выводов не хватает астрономических данных.

В открытой модели кривизна трехмерного пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю, Вселенная бесконечна; в такой модели расстояния между скоплениями галактик со временем неограниченно возрастают, вплоть до гипотетического Большого разрыва.

В замкнутой модели кривизна пространства положительна, Вселенная конечна (но так же безгранична, как и в открытой модели); в такой модели расширение со временем сменяется сжатием до состояния Большого хруста.

Кратко историю нашего мира можно представить так:

Планковская эра: 10^–43–10^–37 с. Начинается с планковского момента и заканчивается инфляционным расширением Вселенной. Главное событие – появление гравитационного взаимодействия. Размер Вселенной в этот момент равен 10^–35 м (планковская длина).

Эра великого объединения: 10^–35–10^–12 с. Начинается с разделения сильного и электрослабого взаимодействий и заканчивается отделением слабого взаимодействия и окончательным разделением взаимодействий.

Адронная эра: 10^–6–1 с. Начинается с аннигиляции протон-антипротонных пар, завершается концом существования кварков и антикварков как свободных частиц.

Лептонная эра: 1 с. Формируются ядра водорода. Начинается ядерный синтез гелия.

Эра нуклеосинтеза: 3 мин. Вселенная состоит на 75 % из водорода и на 25 % из гелия, а также следовых количеств тяжелых элементов.

Радиационная эра: 1 неделя. К этому времени излучение термализуется.

Эра вещества: 10–380 тыс. лет. Вещество начинает доминировать во Вселенной. Ядра водорода и электроны рекомбинируют, Вселенная становится прозрачной для излучения.

Звездная эра: 1–9 млрд лет. Образование первых звезд и формирование первых галактик. Образование Солнечной системы.