4.1 Большой взрыв: Инфляционная модель

Представление о развитии Вселенной закономерно привело к постановке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее конца (смерти). В настоящее время существует несколько космоло­гических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причин и процесса рождения самой Вселенной. Из всей совокупности современных космологических теорий только теория Большого взрыва Г. Гамова смогла к настоящему времени удовлетворительно объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты модели Большого взрыва сохранились до сих пор, хотя и были позже до­полнены теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселен­ной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейн-хардтом и дополненной советским физиком А.Д. Линде.

В 1948 г. выдающийся американский физик русского происхож­дения Г. Гамов выдвинул предположение, что физическая Вселен­ная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все вещество и вся энер­гия Вселенной были сконцентрированы в одном крохотном сверх­плотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плот­ность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью — точечный объем с бесконечной плотностью. Из­вестные законы физики в сингулярности не работают. В этом со­стоянии теряют смысл понятия пространства и времени, поэтому бессмысленно спрашивать, где находилась эта точка. Также совре­менная наука ничего не может сказать о причинах появления тако­го состояния.

Тем не менее, согласно принципу неопределенности Гейзенберга вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плот­ность и размеры. По некоторым подсчетам, если все вещество на­блюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 10⁶¹ г, сжать до плотности I0⁹⁴ г/см³ то оно займет объем около 10 ^-33 см³. Ни в какой электронный микроскоп разглядеть ее было бы невоз­можно. Долгое время ничего нельзя было сказать о причинах Большого взрыва и переходе Вселенной к расширению. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти про­цессы. Они лежат в основе инфляционной модели развития Все­ленной.

Основная идея концепции Большого взрыва состоит в том, что Вселенная на ранних стадиях возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с большой плотностью энергии. Эта энергия возникла из квантового излучения, т.е. как бы из ничего. Дело в том, что в физическом вакууме отсутствуют фиксируемые частицы, поля и волны, но это не безжизненная пустота. В вакууме имеются виртуальные частицы, которые рождаются, имеют мимо­летное бытие и тут же исчезают. Поэтому вакуум «кипит» виртуаль­ными частицами и насыщен сложными взаимодействиями между ними. Причем, энергия, заключенная в вакууме, располагается как бы на его разных этажах, т.е. имеется феномен разностей энергети­ческих уровней вакуума.

Пока вакуум находится в равновесном состоянии, в нем суще­ствуют лишь виртуальные (призрачные) частицы, которые занима­ют в долг у вакуума энергию на короткий промежуток времени, чтобы родиться, и быстро возвращают позаимствованную энергию, чтобы исчезнуть. Когда же вакуум по какой-либо причине в неко­торой исходной точке (сингулярности) возбудился и вышел из со­стояния равновесия, то виртуальные частицы стали захватывать энергию без отдачи, и превращались в реальные частицы. В конце концов в определенной точке пространства образовалось огромное множество реальных частиц вместе со связанной ими энергией. Ко­гда же возбужденный вакуум разрушился, то высвободилась гигант­ская энергия излучения, а суперсила сжала частицы в сверхплотную материю. 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, отрицательные давления, равносильные гравитационному от­талкиванию такой величины, что оно вызвало безудержное и стре­мительное расширение Вселенной — Большой взрыв. Это и было первотолчком, «началом» нашего мира.

С этого момента начинается стремительное расширение Все­ленной, возникают время и пространство. В это время идет безу­держное раздувание «пузырей пространства», зародышей одной или нескольких вселенных, которые могут отличаться друг от друга своими фундаментальными константами и законами. Один из них стал зародышем нашей Метагалактики.

По разным оценкам, период «раздувания», идущий по экспонен­те, занимает невообразимо малый промежуток времени — до 10~³³с после «начала». Он называется инфляционным периодом. За это вре­мя размеры Вселенной увеличились в 10⁵⁰ раз, от миллиардной до­ли размера протона до размеров спичечного коробка.

К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно «го­рячей». Этот всплеск тепла, осветивший космос, обусловлен огром­ными запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Такое состояние вакуума очень неустойчиво и стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, заканчивается и ин­фляция. А энергия, связанная в виде множества реальных частиц, высвободилась в виде излучения, мгновенно нагревшего Вселенную до 1О²⁷ К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стан­дартной теории «горячего» Большого взрыва.