Огляд сучасних уявлень про походження, будову та розвиток Всесвіту. Просторово-часові масштаби сучасної фізики та астрофізики (_ см, _).

    До початку минулого століття були всього два погляди на походження нашого Всесвіту. Учені вважали, що вона вічна і незмінна, а богослови говорили що Світ створений і у нього буде кінець. Двадцяте століття, зруйнувавши

    Простий астрономічний факт - розширення нашого Всесвіту - привело до повного перегляду усіх космогонічних концепцій і розробки нової фізики - фізики виникаючих і зникаючих світів. Всього 70 років тому Едвін Хаббл виявив, що світло від більше далеких галактик «красніше» світла від ближчих. Причому швидкість розгону виявилася пропорційна відстані від Землі (закон розширення Хаббла). Виявити це вдалося завдяки ефекту Доплера (залежності довжини хвилі світла від швидкості джерела світла). Оскільки більше далекі галактики здаються «червонішими», то припустили, що і віддаляються вони з більшою швидкістю. До речі, розбігаються не зірки і навіть не окремі галактики, а скупчення галактик. Найближчі від нас зірки і галактики пов'язані один з одним гравітаційними силами і утворюють стійкі структури Причому в якому напрямі не подивися, скупчення галактик розбігаються від Землі з однаковою швидкістю, і може здатися, що наша Галактика є центром Всесвіту, проте це не так. Де б не знаходився спостерігач, він скрізь бачитиме все ту ж картину - усі галактики розбігаються від нього.

    Але такий розліт речовини зобов'язаний мати початок. Значить, усі галактики повинні були народитися в одній точці. Розрахунки показують, що сталося це приблизно 15 млрд. років назад. У момент такого вибуху температура була дуже великою, і повинні були з'явитися дуже багато квантів світла. Звичайно, з часом усе остигає, а кванти розлітаються по виникаючому простору, але відгомони Великого вибуху повинні були зберегтися до наших днів.

    Перше підтвердження факту вибуху прийшло в 1964 році, коли американські радіоастрономи Р. Вильсон і А. Пензиас виявили реліктове електромагнітне випромінювання з температурою близько 3° за шкалою Кельвіна (- 270°С). Саме це відкриття, несподіване для учених, переконало їх в тому, що Великий вибух дійсно мав місце і спочатку Всесвіт був дуже гарячим.

    Теорія Великого вибуху дозволила пояснити безліч проблем, що стояли перед космологією. Але, на жаль, а може, і на щастя, вона ж поставила і низку нових запитань. Зокрема: Що було до Великого вибуху? Чому наш простір має нульову кривизну і вірна геометрія Евкліда, яку вивчають в школі? Якщо теорія Великого вибуху справедлива, то чому нинішні розміри нашого Всесвіту що значно більше передбачається теорією 1 сантиметра? Чому Всесвіт на подив однорідний, тоді як при будь-якому вибуху речовина розлітається в різні боки украй нерівномірно? Що привело до початкового нагріву Всесвіту до неймовірної температури більше 10¹³ К^?

    Усе це вказувало на те, що теорія Великого вибуху неповна. Довгий час здавалося, що просунутися далі вже неможливо. Тільки чверть століття назад завдяки роботам російських фізиків Э. Глинера і А. Старобинского, а також американця А. Гуса було описано нове явище - надшвидке інфляційне розширення Всесвіту. Опис цього явища ґрунтується на добре вивчених розділах теоретичної фізики - загальній теорії відносності Ейнштейна і квантової теорії поля. Сьогодні вважається загальноприйнятим, що саме такий період, що дістав назву «інфляція», передував Великому вибуху.

    Розміри Всесвіту астрономи оцінюють як 10²⁸ см, тоді як почався інфляційний процес з флуктуації розміром 10-33 см Величина протона, тобто атомного ядра атома водню, - 10^-13 см Таким чином, виходить, що Всесвіт спочатку був в стільки ж разів менше протона, в скільки протон менше місяця. До речі, місяць по відношенню до сучасного Всесвіту має приблизно той же розмір, що і початкова флуктуація порівняно з ядром атома водню.

Суть інфляції

    При спробі дати уявлення про суть початкового періоду життя Всесвіту доводиться оперувати такими надмалими і надвеликими числами, що наша уява насилу їх сприймає. Спробуємо скористатися деякою аналогією, щоб зрозуміти суть процесу інфляції. Уявимо собі покритий снігом гірський схил, в який украплені різнорідні дрібні предмети - камінчики, гілки і шматочки льоду. Хтось, що знаходиться на вершині цього схилу, зробив невеликий сніжок і пустив його котитися з гори. Рухаючись вниз, сніжок збільшується в розмірах, оскільки на нього налипають нові шари снігу з усіма включеннями. І чим більше розмір сніжку, тим швидше він збільшуватиметься. Дуже скоро з маленького сніжку він перетвориться на величезний ком. Якщо схил закінчується прірвою, то він полетить в неї зі швидкістю, що усе більш збільшується. Досягнувши дна, ком удариться об дно прірви і його складові частини розлетяться на всі боки (до речі, частина кінетичної енергії кому при цьому піде на нагрів довкілля і снігу, що розлітається).

    Тепер опишемо основні положення теорії, використовуючи приведену аналогію. Передусім фізикам довелося ввести гіпотетичне поле, яке було названо «інфлатонним» (від слова «інфляція»). Це поле заповнювало собою увесь простір (у нашому випадку - сніг на схилі). Завдяки випадковим коливанням воно набувало різних значень в довільних просторових областях і в різні моменти часу. Нічого істотного не відбувалося, поки випадково не утворилася однорідна конфігурація цього поля розміром більше 10^-33 см Що ж до спостережуваної нами Всесвіту, то вона в перші миті свого життя, мабуть, мала розмір 10^-27 см Передбачається, що на таких масштабах вже справедливі основні закони фізики, відомі нам сьогодні, тому можна передбачити подальшу поведінку системи. Виявляється, що відразу після цього просторова область, зайнята флуктуацією (від латів. fluctuatio - «коливання», випадкові відхилення спостережуваних фізичних величин від їх середніх значень), починає дуже швидко збільшуватися в розмірах, а інфлатонне поле прагне зайняти положення, в якому його енергія мінімальна (снігова грудка покотилася). Таке розширення

    Гора, про яку говорилося вище, може мати дуже складний рельєф - декілька різних мінімумів, долини внизу і всякі пагорби і купини. Снігові коми (майбутні всесвіти) безперервно народжуються нагорі гори за рахунок флуктуацій поля. Кожен ком може скотитися у будь-який з мінімумів, породивши при цьому свій всесвіт із специфічними параметрами Причому всесвіти можуть істотно відрізнятися один від одного. Властивості нашого Всесвіту найдивовижнішим чином пристосовані до того, щоб на ній виникло розумне життя. Іншим всесвітам, можливо, повезло менше.

    Ще раз хотілося б підкреслити, що описаний процес народження Всесвіту «практично ні з чого» спирається на строго наукові розрахунки. Проте у всякої людини, що уперше знайомиться з інфляційним механізмом, описаним вище, виникає немало питань.

    Сьогодні наш Всесвіт складається з великого числа зірок, не кажучи вже про приховану масу. І може здатися, що повна енергія і маса Всесвіту величезні. І абсолютно незрозуміло, як це усе могло поміститися в первинному об'ємі 10^-99 см³. Проте у Всесвіті існує не лише матерія, але і гравітаційне поле. Відомо, що енергія останнього негативна і, як виявилось, в нашому Всесвіті енергія гравітації в точності компенсує енергію, що знаходиться в частках, планетах, зірках і інших масивних об'єктах. Таким чином, закон збереження енергії прекрасно виконується, і сумарна енергія і маса нашого Всесвіту практично дорівнюють нулю. Саме ця обставина частково пояснює, чому Всесвіт, що зароджується, тут же після появи не перетворився на величезну чорну діру. Її сумарна маса була абсолютно мікроскопічна, і спочатку просто нічому було колапсувати. І тільки на пізніших стадіях розвитку з'явилися локальні згустки матерії, здатні створювати поблизу себе такі гравітаційні поля, з яких не може вирватися навіть світло. Відповідно, і часток, з яких «зроблені» зірки, на початковій стадії розвитку просто не існувало. Елементарні частки почали народжуватися в той період розвитку Всесвіту, коли інфлатонне поле досягло мінімуму потенційної енергії і почався Великий вибух.

    Область, зайнята інфлатонним полем, розросталася зі швидкістю, істотно більшій швидкості світла, проте це ніскільки не суперечить теорії відносності Ейнштейна. Швидше за світло не можуть рухатися лише матеріальні тіла, а в даному випадку рухалася уявна, нематеріальна межа тієї області, де народжувався Всесвіт (прикладом надсвітового руху є переміщення світлової плями по поверхні місяця при швидкому обертанні освітлюючого її лазера). Причому довкілля зовсім не чинило опір розширенню області простору, охопленого усе більш швидко розростається інфлатонним полем, оскільки її як би не існує для виникаючого Світу. Загальна теорія відносності стверджує, що фізична картина, яку бачить спостерігач, залежить від того, де він знаходиться і як рухається. Так от, описана вище картина справедлива для «спостерігача», що знаходиться усередині цієї області. Причому цей спостерігач ніколи не дізнається, що відбувається поза тією областю простору, де він знаходиться. Інший «спостерігач», що дивиться на цю область зовні, ніякого розширення зовсім не виявить. У кращому разі він побачить лише невелику іскорку, яка по його годиннику зникне майже миттєво. Навіть найвитонченіша уява відмовляється сприймати таку картину. І все-таки вона, мабуть, вірна. Принаймні, так вважають сучасні учені, черпаючи упевненість у вже відкритих законах Природи, правильність яких багаторазово перевірена.

    Слід сказати, що це инфлатонное поле і зараз продовжує існувати і флуктуіровати. Але тільки ми, внутрішні спостерігачі, не в змозі цього побачити - адже для нас маленька область перетворилася на колосальний Всесвіт, меж якого не може досягти навіть світло.

    Отже, відразу після закінчення інфляції гіпотетичний внутрішній спостерігач побачив би Всесвіт, заповнений енергією у вигляді матеріальних часток і фотонів. Якщо усю енергію, яку міг би виміряти внутрішній спостерігач, перевести в масу часток, то ми отримаємо приблизно 10⁸⁰ кг Відстані між частками швидко збільшуються із-за загального розширення. Гравітаційні сили тяжіння між частками зменшують їх швидкість, тому розширення Всесвіту після завершення інфляційного періоду поступово сповільнюється^.

   Що ж чекає наш Всесвіт надалі? Ще кілька років тому у теоретиків в зв'язку з цим були всього дві можливості. Якщо щільність енергії у Всесвіті мала, то вона вічно розширюватиметься і поступово остигатиме. Якщо ж щільність енергії більше деякого критичного значення, то стадія розширення зміниться стадією стискування. Всесвіт стискуватиметься в розмірах і нагріватися. Значить, одним з ключових параметрів, що визначає розвиток Всесвіту, є середня щільність енергії. Так от, астрофізичні спостереження, що проводяться до 1998 року, говорили про те, що щільність енергії складає приблизно 30% від критичного значення. А інфляційні моделі передбачали, що щільність енергії має бути рівна критичною. Апологетів інфляційної теорії це не дуже бентежило. Вони відмахувалися від опонентів і говорили, що не вистачає 70% «як-небудь знайдуться». І вони дійсно знайшлися. Це велика перемога теорії інфляції, хоча знайдена енергія виявилася такою дивною, що викликала більше питань, ніж відповідей. Схоже, що шукана темна енергія - це енергія самого вакууму.

   В уявлені людей не пов'язаних з фізикою, вакуум - «це коли нічого немає» - ні речовини, ні часток, ні полів. Проте це не зовсім так. Стандартне визначення вакууму - цей стан, в якому відсутні

    Проте можливі і інші, більше екзотичні, варіанти світоутворення. Наприклад, модель Квінтесенції, елементи якої були запропоновані радянським фізиком А.Д. Борговим в 1985 році, припускає, що ми все ще скачуємося з тієї самої гірки, про яку говорилося на початку нашого оповідання. Причому котимося ми вже дуже довго, і кінця цьому процесу не видно. Незвичайна назва, запозичена у Арістотеля, означає деяку «нову суть», покликану пояснити, чому світ влаштований так, а не інакше.

    Сьогодні варіантів відповіді на питання про майбутнє нашого Всесвіту стало значно більше. І вони істотно залежать від того, яка теорія, що пояснює приховану енергію, є правильною. Припустимо, що вірне просте пояснення, при якому енергія вакууму позитивна і не міняється з часом. В цьому випадку Всесвіт вже ніколи не стискуватиметься і нам не загрожує перегрівання і Великий хлопок. Але за усе хороше доводиться платити. В цьому випадку, як показують розрахунки, ми в майбутньому ніколи не зможемо досягти усіх зірок. Більше того, кількість галактик, видимих з 3емлі, зменшуватиметься, і через 10^-20 млрд. років у розпорядженні людства залишиться всього декілька сусідніх галактик, включаючи нашу - Чумацький Шлях, а також сусідню Андромеду. Людство вже не зможе збільшуватися кількісно, і тоді доведеться зайнятися своєю якісною складовою. У розраду можна сказати, що декілька сотень мільярдів зірок, які будуть нам доступні в так віддаленому майбутньому, - це теж немало.

    Втім, чи знадобляться нам зірки? 20 мільярдів років - великий термін. Адже всього за декілька сотень мільйонів років життя розвинулося від трилобіту до сучасної людини. Отже наші далекі нащадки, можливо, будуть на вигляд і можливостям відрізнятися від нас ще більше, ніж ми від трилобіту. Що ж обіцяє їм ще віддаленіше майбутнє, за прогнозами сучасних учених? Ясно, що зірки будуть тим або іншим способом «помирати», але утворюватимуться і нові. Цей процес теж не нескінченний - приблизно через 10¹⁴ років, по припущенню учених, у Всесвіті залишаться тільки слабосвітні об'єкти - білі і темні карлики, нейтронні зорі і чорні діри. Майже усі вони також загинуть через 10³⁷ років, вичерпавши усі запаси своєї знергии. До цього моменту залишаться лише чорні діри, що поглинули усю іншу матерію. Що може зруйнувати чорну діру? Будь-які наші спроби зробити це лише збільшують її масу. Але «ніщо не вічне під місяцем». Виявляється, чорні діри повільно, але випромінюють частки. Значить, їх маса поступово зменшується. Усі чорні діри теж повинні зникнути приблизно через 10¹⁰⁰ років. Після цього залишаться лише елементарні частки, відстань між якими набагато перевершуватиме розміри сучасного Всесвіту (приблизно у 10⁹⁰ разів) - адже весь цей час Всесвіт розширювався! Ну і, звичайно, залишиться енергія вакууму, яка абсолютно домінуватиме у Всесвіті. До речі, властивості такого простору уперше вивчив В. де Сіттер ще в 1922 році. Отже нашим нащадкам належить або змінити фізичні закони Всесвіту, або перебратися в інші всесвіти. Зараз це здається неймовірним, але хочеться вірити в могутність людства, як би воно, людство, не виглядало в так віддаленому майбутньому. Тому що часу у нього предостатньо.

    До речі, можливо, що вже і зараз ми, самі того не відаючи, створюємо нові всесвіти. Для того, щоб в дуже маленькій області виник новий всесвіт, необхідно ініціювати інфляційний процес, який можливий тільки при високій щільності енергій. Адже експериментатори вже давно створюють такі області, зіштовхуючи частки на прискорювачах... І хоча ці енергії ще дуже далекі від інфляційних, вірогідність створення всесвіту на прискорювачі вже не дорівнює нулю. На жаль, ми є тим самим «видаленим спостерігачем», для якого час життя цього «рукотворного» всесвіту занадто мало, і впровадитися в неї і подивитися, що там відбувається, ми не можемо...