Современная картина происхождения Вселенной. Рождение Вселенной
Технический прогресс не стоит на месте. Научно-техническая революция ХХ века значительно расширила горизонты человеческих знаний. Человек создал ракету, побывал в космосе, созданы сверхмощные оптические и радиотелескопы, компьютеры, позволяющие рассчитывать и модулировать глобальные процессы, происходящие в масштабах Солнечной системы и Вселенной. На сегодняшний день современное естествознание объясняет возникновение Вселен-ной с помощью теории Большого взрыва.
Примерно 15 млрд. лет отделяет нашу эпоху от начала про-цесса расширения Вселенной, когда вся наблюдаемая нами Все-ленная была сжата в комочек, в миллиарды раз меньший була-вочной головки. Если верить математическим расчетам, то в на-чале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние назы-вается сингулярностью - точечный объем с бесконечной плотно-стью. Известные законы физики в сингулярности не работают.
Более того, нет уверенности, что наука когда-либо познает и объяснит такие состояния. Так что если сингулярность и являет-ся начальным простейшим состоянием нашей расширяющейся Вселенной, то наука не располагает о нем информацией.
В состоянии сингулярности кривизна пространства и вре-мени становится бесконечной, сами эти понятия теряют смысл. Идет не просто замыкание пространственно-временного кон-тинуума, как это следует из общей теории относительности, а его полное разрушение. Правда, понятия и выводы общей тео-рии относительности применимы лишь до определенных пре-делов - масштаба порядка 10-33 см. Дальше идет область, в ко-торой действуют совсем иные законы. Но если считать, что начальная стадия расширения Вселенной является областью, в которой господствуют квантовые процессы, то они должны подчиняться принципу неопределенности Гейзенберга, соглас-но которому вещество невозможно стянуть в одну точку. То-гда получается, что никакой сингулярности в прошлом не бы-ло и вещество в начальном состоянии имело определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все веще-ство наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 1061 г, сжать до плотности 1094 г/см3, оно заняло бы объем около 10-33 см3, что примерно в 1000 раз больше объема ядра атома урана. Его нельзя было бы разглядеть и в электронный микроскоп. Причины возникновения такого начального состояния (или сингулярности - эту гипотезу и сегодня поддерживают многие ученые), а также характер пребывания материи в этом состоя-нии считаются неясными и выходящими за рамки компетенции любой современной физической теории. Неизвестно также, что было до момента взрыва. Долгое время ничего нельзя было сказать и о причинах Большого взрыва, и о переходе к расши-рению Вселенной, но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы.
Итак, очевидно, что исходное состояние перед “началом” не является точкой в математическом смысле, оно обладает свойствами, выходящими за рамки научных представлений се-годняшнего дня. Не вызывает сомнения, что исходное состоя-ние было неустойчивым, породившим взрыв, скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной. Это, очевидно, было самое простое состояние из всех, реализовавшихся позднее вплоть до наших дней. В нем было нарушено все, что нам при-вычно: формы материи, законы, управляющие их поведением, пространственно-временной континуум. Такое состояние можно назвать хаосом, из которого в последующем развитии системы шаг за шагом формировался порядок.
Хаос оказался неустойчивым, это послужило исходным толчком для последующего развития Вселенной.
Еще Демокрит утверждал, что мир состоит из атомов и пустоты - абсолютно однородного пространства, разделяю-щего атомы и тела, в которые они соединяются. Современная наука на новом уровне интерпретирует атомизм, и вносит со-вершенно иной смысл в понятие среды, разделяющей части-цы. Эта среда отнюдь не является абсолютной пустотой, она вполне материальна и обладает весьма своеобразными свой-ствами, пока еще мало изученными. По традиции, эта среда, неотделимая от вещества, продолжает называться пустотой, вакуумом.
Вакуум - это пространство, в котором отсутствуют реаль-ные частицы и выполняется условие минимума плотности энергии в данном объеме. Казалось бы, раз нет реальных час-тиц, то пространство пусто, в нем не может содержаться энергия, даже минимальная. Но это представление пришло к нам из классической физики. Квантовая же теория, опираясь на принцип неопределенности Гейзенберга, опровергает его. Мы помним, что применительно к теории поля принцип не-определенности утверждает невозможность одновременного точного определения напряженности поля и числа частиц. Раз число частиц равно нулю, то напряженность поля не может равняться нулю, иначе оба параметра будут извест-ны, и принцип неопределенности будет нарушен. Напряжен-ность поля в вакууме может существовать лишь в форме флуктуационных Флуктуация - небольшое, нерегулярное хаотическое изменение какой-либо физической величины. колебаний около нулевого значения. Соот-ветствующая этим колебаниям энергия будет минимально возможной.
В соответствии с признанным дуализмом волновых и кор-пускулярных свойств колебания полей обязаны порождать частицы. И здесь мы сталкиваемся еще с одним парадоксом микромира. Квантовые эффекты могут на очень короткое вре-мя приостанавливать действие закона сохранения энергии. В течение этого промежутка времени энергия может быть взята “взаймы” на различные цели, в том числе на рождение частиц. Разумеется, все возникающие при этом частицы будут короткоживущие, так как израсходованная на них энергия должна быть возвращена спустя ничтожную долю секунды. Тем не ме-нее частицы могут фактически возникнуть из ничего, обретая мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть. И эту скоро-течную деятельность невозможно предотвратить. Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить след своего кратковременного существования. Они представляют собой разно-видность виртуальных частиц, аналогичных переносчикам взаимо-действия, но не предназначенных для получения или передачи сигналов.
Таким образом, “пустой” вакуум оказывается заполненным виртуальными частицами. Он не безжизнен и безлик, а полон энергии. А то, что мы называем частицами, - всего лишь ред-кие возмущения, подобные “пузырькам” на поверхности цело-го моря активности.
Современные теории предполагают, что энергия вакуума проявляется отнюдь не однозначно. Вакуум может быть воз-бужденным и находиться в одном из многих состояний с силь-но различающимися энергиями, подобно тому, как атом может возбуждаться, переходя на уровни с более высокой энергией, причем различие между самой низкой и самой высокой энер-гиями невообразимо велико.
Очевидно, вакуум играет роль базовой формы материи. На самой ранней фазе эволюции Вселенной именно ему отводится ведущая роль. Экстремальные условия “начала”, когда даже пространство-время было деформировано, предполагают, что и вакуум находился в особом состоянии, которое называют “ложным” вакуумом. Оно характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения, отрицательное давление, которое равносильно гравитационному отталкиванию такой величины, которое и вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной - Большой взрыв. Это и было перво-толчком, “началом”.
С началом стремительного расширения Вселенной возни-кает время и пространство. По разным оценкам период “раздувания” занимает невообразимо малый промежуток времени - до 10-33 с после “начала”. Он называется инфляци-онным периодом. За это время Вселенная успевает раздуться до гигантского “пузыря”, радиус которого на несколько по-рядков превышает радиус современной нам Вселенной, но там практически отсутствуют частицы вещества. Это еще не то расширение, о котором мы говорили, а предпосылка к нему. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно горячей. Этот всплеск тепла обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в “ложном” вакууме. Когда это со-стояние вакуума распалось, его энергия высвободилась в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до 1027 К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории горячего Большого взрыва.