4.Вселенная в целом

Первым космологическую модель попытался построить А. Эйнштейн. Он исходил из предположения о неизменности свойств Вселенной как целого во времени (радиус кривизны пространства он считал постоянным), и даже видоизменил ОТО, чтобы она удовлетворяла этому требованию, и ввел в основное уравнение дополнительную космическую силу отталкивания, которая должна уравновесить взаимное притяжение звезд.

Вселенная Эйнштейна пространственно конечна; она имеет конечные размеры, но не имеет границ!

В такой Вселенной нет понятия «снаружи», и каждая точка в ней эквивалентна любой другой — ни края, ни центра здесь нет.

С критикой предложенной Эйнштейном космологической модели выступил А. А. Фридман.

Его Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной и должна либо расширяться, либо сжиматься.

В основе нестационарной релятивистской космологии лежат следующие положения и принципы.

• уравнения ОТО, связывающие кривизну пространства-времени с плотностью массы (энергии).

• космологический постулат (представление однородности изотропности Вселенной: во Вселенной нет выделенных точек и направлений; все точки и направления равноправны).

• выбор той или иной модели определяется силами тяготения и начальными условиями (плотностью массы).

Решения космологических уравнений зависят от средней плотности вещества во Вселенной и приводят к трем моделям эволюции Вселенной.

Первая модель соответствует положению, когда средняя плотность вещества во Вселенной ниже критической (р< рк). В таком случае кривизна пространства отрицательная, скорость расширения не уменьшается, а Вселенная будет расширяться в бесконечность неограниченно долго (гиперболическое расширение).

Вторая модель характеризует ситуацию, когда средняя плотность равна критической (р = р ), а кривизна в пределе стремится к нулю. Это случай неограниченного параболического расширения, которое сопровождается постепенным уменьшением скорости расширения.

И в первой и во второй модели расстояния между галактиками со временем неограниченно возрастают.

Третья модель соответствует положению, когда средняя плотность вещества выше критической (р>рк), а кривизна изменяется, отрицательная сменяется положительной. Это пульсирующая модель, в которой период расширения неизбежно сменяется периодом сжатия.

Во всех моделях предусмотрено существование начального состояния эволюции — точки сингулярности (О).

Возраст Вселенной. Ограниченность эволюции Вселенной во времени приводит к понятию ее возраста.

Вселенная расширяется, изменяется, значит, у нее есть своя история, время возникновения и время исчезновения, гибели. Можно сказать, что у нее есть своя биография, имеющая даты рождения и смерти.

Возраст Вселенной легко определяется через знание величины постоянной Хаббла (Н). Современная оценка этой постоянной от 50 до 100 км/ (с-Мпк). Обратная величина t = 1/Н имеет размерность времени и означает приблизительный возраст нашей Вселенной. Он составляет от 10 до 20 млрд. лет. При выборе Н = 75 км/(с-Мпк) возраст Вселенной составляет примерно 13 млрд. лет. Именно эта величина возраста Вселенной в настоящее время принимается как наиболее предпочтительная. Ее нельзя считать окончательной. Многое зависит от закономерностей изменения постоянной Хаббла во времени. Пока твердых данных на этот счет нет. Если окажется, что расширение Вселенной идет с замедлением, то придется уменьшить оценку возраста Вселенной, а если окажется, что во Вселенной действуют космологические силы отталкивания, то возраст Вселенной может оказаться и большим, чем 20 млрд. лет.

Эволюция Вселенной. Важнейшим направлением разработки теории нестационарной Вселенной в XX в. явилось исследование физических процессов в начальные моменты Вселенной. Центральным здесь оказался вопрос о смысле сингулярности.

Качественно новым и глубоким шагом в изучении начальных состояний Вселенной была разработка модели горячей Вселенной (Дж. Гамов и его сотрудники в 1948— 1956 гг.). В соответствии с этой концепцией, Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась высокой плотностью и высокой температурой вещества.

В теории горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной, её температура падала от очень большой до довольно низкой, обеспечивавшей возникновение условий, благоприятных для образования звезд и галактик. На протяжении около 1 млн. лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов и космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы.

Модель горячей Вселенной получила экспериментальное подтверждение после открытия в 1965 г. реликтового излучения – микроволнового фонового излучения с температурой около 2,7 К.

Важной вехой на пути разработки квантовой теории тяготения является создание инфляционной космологии (1980-е гг. группой отечественных и зарубежных физиков и космологов – А.А.Старобинский, А. Гут, А.Д.Линде и др.).

Инфляционная космология возникла как теория, объясняющая причины Большого взрыва и условия, сложившиеся в первые мгновения Вселенной.

В основе теории – представление о существовании силы космического отталкивания невероятной величины, которая смогла спонтанно разорвать некое начальное состояние материи и вызвать ее расширение, продолжающееся по сей день. В этой теории начальным состоянием Вселенной является физический вакуум.

Рождение Вселенной.

Акт первый: инфляция физического вакуума.

Согласно инфляционной теории, Вселенная возникает из физического вакуума за счет фазового перехода первого рода;

Физический вакуум — низшее энергетическое состояние квантовых полей, для которого характерно отсутствие каких-либо реальных частиц. Физический вакуум обладает ненулевым значением плотности энергии и давления, поэтому в нем происходят виртуальные процессы. Вакуум описывается скалярными полями, для которых характерны квантовые флуктуации. Сингулярность — это и есть квантовая флуктуация вакуума.

Физический вакуум — форма материи, характеризующаяся активностью, возникновением и уничтожением виртуальных частиц (постоянно «кипит», но не выкипает) и способностью находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями и давлениями, причем эти давления – отрицательные.

Возбужденное состояние физического вакуума называют «ложным вакуумом», который способен создать гигантскую силу космического отталкивания. Эта сила и вызвала безудержное и стремительное раздувание «пузырей пространства» (зародышей одной или нескольких Вселенных, каждая из которых характеризуется своими фундаментальными постоянными), в которых концентрировались колоссальные запасы энергии.

Скорость раздувания значительно превосходила световую. Данный тип раздувания был назван инфляцией. Такое быстрое расширение означает, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве.

Но фаза инфляции не может быть длительной. Отрицательный (ложный) вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, исчезает и инфляция. Вселенная переходит во власть обычного гравитационного притяжения. «Часы» Вселенной в этот момент показывали всего 10^-34 с. Но, благодаря полученному первоначальному импульсу, приобретенному в процессе инфляции, расширение Вселенной продолжается, но неуклонно замедляется. Постепенное замедление расширения Вселенной – это единственный след, который сохранился до настоящего времени от периода инфляции.

В фазе инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но по окончании фазы огромные запасы энергии, сосредоточенные в исходном физическом вакууме, высвободились в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до температуры примерно 10²⁷ К и энергии 10¹⁴ ГэВ. А это и есть Большой взрыв.

С этого момента начинается эволюция горячей Вселенной. Благодаря энергии возникли вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать и испытывать последовательные фазовые переходы, в которых постепенно стали «кристаллизоваться» все ее фундаментальные взаимодействия, наблюдаемые сегодня.

Акт второй: Большой взрыв и его последствия.

Большой взрыв связан с эрой Великого объединения: возраст Вселенной всего лишь 10^~34 с, а температура – около 10²⁷ К. Выделение громадной энергии приводит к порождению из физического вакуума множества разнообразных виртуальных частиц. Космос заполняется смесью частиц. Важнейшими ее составляющими были сверхмассивные частицы – переносчики взаимодействия в теориях Великого объединения, так называемые Х- и Y-частицы. Именно эти частицы привели к асимметрии в соотношении вещества и антивещества.

Как показал А.Д. Сахаров (1967), при падении Т< 10²⁷ К Х- и Y –бозоны уже не могут эффективно рождаться, задерживается и процесс аннигиляции; начинает преобладать процесс распада. В результате появляется небольшой избыток частиц по отношению к античастицам: на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица. Несмотря на малость этого эффекта, он играет решающую роль.

По мере остывания Вселенной, антивещество аннигилировало с веществом, но при этом остался избыток вещества по отношению к веществу в одну частицу на миллиард. Именно этот мизерный остаток и послужил материалом, из которого построена вся Вселенная, включая человека. Если бы этого остатка не было, то мир был бы заполнен только полем, но не веществом. Можно сказать, что вещество возникло благодаря оплошности природы.

В результате аннигиляции (превращение одних частиц при столкновении в другие частицы) возникло мощное гамма-излучение. По мере расширения Вселенной оно постепенно остывало. И к настоящему времени превратилось в так называемое фоновое тепловое излучение с температурой 2,7 К, которое несет в себе значительную часть энергии Вселенной.

Вплоть до 10^~12с после Большого взрыва температура была высока (Т >10¹⁵К) и особенности материи во Вселенной резко отличались от её современного состояния:

• адроны еще не образовались;

• не различались слабое и электромагнитное взаимодействия (электроны, мюоны и нейтрино не существовали в обычном виде; свойства фотонов перемешаны со свойствами W- и Y-частиц);

• кварки и легионы еще существенно не различаются, не обладают массой покоя и др.

Однако вещество не могло продолжительно существовать в столь нестабильной фазе. Падение температуры ниже 10¹⁵ К вызывает внезапный переход, напоминающий замерзание воды и образование льда. В этот момент (10^~12 с) нарушается калибровочная симметрия и электромагнитное взаимодействие отделяется от слабого. W- и Z-бозоны, кварки и лептоны приобретают массу, а фотон остался безмассовым. Результатом этого перехода явилось возникновение электронов, нейтрино, фотонов и кварков.

Следующий фазовый переход происходит при Т = 10¹³ К и приводит к конденсации кварков. Кварки объединяются в группы (попарно или по три) и образуются адроны (протоны, нейтроны, мезоны и другие, сильно взаимодействующие частицы). С этого момента (10^-5с) открылся прямой путь для ядерных реакций – синтеза гелия.

При Т=2*10¹⁰К и t=0,2с нейтрино перестают взаимодействовать с частицами. Поскольку нейтрино стабильны и очень слабо взаимодействуют с веществом, они легко перемещаются во Вселенной, только их энергия уменьшается из-за ее расширения.

Образование звезд и галактик. Методом математического моделирования астрофизикам удалось воспроизвести детали ядерных процессов, происходивших в первые секунды существования Вселенной.

В конце первой секунды температура достигала 10¹⁰ К. При такой высокой температуре, сложные ядра существовать не могут. Тогда все пространство было заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами вперемешку с электронами, нейтрино и фотонами. Ранняя Вселенная расширялась быстро и по прошествии еще минуты температура упала на два порядка, а через несколько минут – стала ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции. В этот относительно короткий промежуток времени, протоны и нейтроны могли объединяться, образуя сложные ядра.

В тот период основной ядерной реакцией было слияние протонов и нейтронов с образованием ядер гелия, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку протоны легче нейтронов, они присутствовали в большем количестве, то по завершении синтеза гелия, часть протонов осталась свободной. Образовавшаяся плазма состояла примерно на 10% из ядер гелия и на 90% из ядер водорода (протонов).

В первичном веществе был избыток протонов над нейтронами. Благодаря этому во Вселенной остались несвязанные протоны, и впоследствии образовался водород, без которого не светило бы Солнце, не было бы воды, не могла возникнуть жизнь. Не было бы жизни, не было бы и человечества.

После стадии термоядерных реакций температура вещества была настолько высока, что оно находилось в состоянии плазмы еще сотни тысяч лет, вплоть до периода рекомбинации (захват ионом сводного электрона, приводит к уменьшению заряда иона или превращения его в нейтральный атом) (t=4000 К). В этот момент ядра присоединяли электроны и превращались в нейтральные атомы. Первыми образовались атомы гелия и водорода, из которых сформировались первые звезды и галактики.

Когда размеры Вселенной были в 100 раз меньше из газообразного водорода и гелия возникли газовые сгустки – протогалактические сгущения, из которых постепенно сформировались звезды и галактики.

Ядро звезды представляет собой термоядерный реактор, в котором горючим служат ядра водорода (протоны). Последующие реакции синтеза приводят к превращению дейтерия в гелий, гелия – в углерод, а затем и образованию более сложных ядер. По мере исчерпания запасов ядерного горючего звезды ее внутренняя структура представляется слоями различных химических элементов, каждый из которых отражает различные стадии ядерного синтеза. Так на протяжении своей «жизни» звезда превращается из смеси первичного водорода и гелия в хранилище тяжелых химических элементов. Прекращая свою «жизнь», звезда может разбросать тяжелые элементы по просторам Галактики.

Сценарии будущего Вселенной. Теоретическое моделирование будущего Вселенной различается в «открытых» и «закрытой» ее моделях.

«Закрытая» модель предполагает, что в будущем расширение Вселенной сменится ее сжатием. Исходя из общей массы Вселенной 10⁵³т, можно предположить, что через 30 млрд. лет она начнет сжиматься и через 50 млрд. лет вновь вернется в сингулярное состояние (полный цикл расширения и сжатия Вселенной составляет примерно 100 млрд. лет).

Вселенная может быть представлена как система, испытавшая множество эволюционных циклов. При переходе от одного цикла к другому некоторые общие параметры Вселенной (Метагалактики), ее законы могут изменяться (могут изменяться фундаментальные физические константы).

В соответствии с «открытыми» моделями уже через 10¹⁴лет многие звезды остынут, что через 10¹⁵лет приведет к тому, что планеты начнут отрываться от своих звезд, а звезды покидать свои галактики. Через 10¹⁹ лет большая часть звезд покинут свои галактики и превратятся в черные карлики. Центральные области галактик образуют черные дыры. Галактики прекращают свое существование.

Дальнейшая эволюция будущей Вселенной не вполне ясна. Если обнаружится, что протон нестабилен и распадается через 10³¹ лет на γ-квант и нейтрино, то Вселенная и будет представлять собой совокупность нейтрино, квантов света с убывающей энергией и черных дыр. Самые массивные черные дыры испарятся за 10⁹⁶ лет, через 10¹⁰⁰ лет во Вселенной останется лишь электронно-позитронная плазма ничтожной плотности.

Если же протон стабилен, то через 10⁶⁵ лет любое твердое вещество превратится даже при абсолютном нуле в жидкость. Все оставшиеся черные карлики станут жидкими каплями. А через 10¹⁵⁰⁰ лет любое вещество станет радиоактивным, и все жидкие капли (т.е. бывшие звезды) станут железными. От грандиозной и разнообразнейшей Вселенной останутся только жидкие холодные железные капли!

²⁶

Через 10¹⁰ , железные капли превратятся в «черные дыры». Эти «черные дыры» за относительно небольшой промежуток времени 10⁶⁷ лет испарятся, превратив Вселенную в поток сверхдлинноволновых квантов и электронно-позитронную плазму. Такое состояние – окончательная «смерть» Вселенной или ее возврат в исходную фазу — физический вакуум.