Происхождение вселенная

ТЕМА 7. КОСМОГОНИЯ

Отталкиваясь от наблюдаемых объектов, явлений и событий, человек уже в глубокой древности пытался составить общую картину мира и ответить на вопросы, которые интересовали и интересуют людей, независимо от того, в какой части Земли они жили и к каким расам и народам принадлежали.

В Древнем Китае сложилось мифологическое представление о том, что когда-то давным-давно мир представлял собой первоначальный хаос, который затем был упорядочен космическими силами – небесной (Ян) и земной (Инь), учредившими соответственно из легких частиц Небо, а из тяжелых Землю, которыми они стали управлять.

В другом мифе организация хаоса и создание мира связывается с деятельностью сверхъестественного человека по имени Паньгу, зародившегося внутри космического яйца – естественного порождения хаоса. Ударом топора Паньгу раскалывает первоначальный хаос. В результате этого легкие частицы поднялись вверх и образовали Небо, а тяжелые – Землю .

В Древней Индии мифологическо-религиозные представления о возникновении мира изложены в Ведах (Ригведа), а достигают они своей вершины в Упанишадах. В Гимне Пуруше запечатлены антропологические основания происхождения мира. Пуруша («мужчина», «космический человек», «человек-Вселенная») приносится богами в жертву. «Когда боги предприняли жертвоприношение с Пурушей в качестве жертвы, весна была его жертвенным маслом, лето – дровами, осень – жертвой» . От Пуруши возникли лошади и гимны, коровы и напевы, Солнце и жертвенные формулы, пространство и ветер, небо и земля и даже боги Индра и Агни. Даже касты появились от Пуруши. Брахманы возникли из уст Пуруши, кшатрии – из рук, вайшьи – из бедер, шудры – из ног.

В Гимне о сотворении мира ставится вопрос о его (мира) происхождении. Но на него (вопрос) никто ответить не может, даже боги, ибо они появились в результате сотворения этого мира. И все же ответ имеется. Из него можно понять, что вначале ничего не было: «Не было ни воздушного пространства, ни неба над ним. Не было ни смерти, ни бессмертия, ни дня, ни ночи, мрак был сокрыт мраком. Но был некий жар, породивший жизнедеятельное единое (одно), первым состоянием которого было желание, ставшее семенем мысли. Так бытие возникает из небытия. Происхождение сущего в не-сущем открыли мудрецы размышлением, вопрошая в своем сердце».

Древнегреческая предфилософия наиболее полное выражение находит в сочинениях Гесиода «Труды и дни» и «Теогония». Теогония Гесиода включает в себя родословную мира. Гесиод говорит, что рожденные из первоначального хаоса Гея и Уран (Земля и Небо) дали жизнь Океану и Тефиде, а также циклопам, титанам, гигантам, олицетворяющим различные космические силы. От сыновей одного из самых младших титанов, Кроноса, берет начало новое поколение богов. Зевс – один из сыновей Кроноса. Он убивает своего отца и становится новым олимпийским богом.

Во всех отмеченных космогонических и теогонических «родо­словных» мира обращает на себя внимание следующее. 1) Все они выделяют в качестве существеннейших составных элементов Небо и Землю. Объяснить этот факт можно, по-видимому, тем, что именно Небо и Земля оказывали сильнейшее воздействие на жизнь человека. Небо посылало на Землю засуху; оно могло проливаться непрерывными дождями. И в том и в другом случае Земля не рождала средств к существованию, и человеку приходилось очень трудно в его жизни. Но Небо могло способствовать росту урожая, растений, дающих обилие кормов животным, и человек получал все необходимое для жизни. Отсюда становится ясным обожествление человеком Неба, а затем и Земли. 2) Космогонические представления древних людей покоятся на наблюдениях, на опытных данных. Следует отметить, что древний человек обладал высокой степенью абстракции, которые позволяли ему создавать достаточно стройные, кое-что объясняющие ему мыслительные конструкции, отвечающие на вопросы, как возник мир, как появился человек т.д. Древние люди были удовлетворены полученными ответами, но и неудовлетворены тоже, поскольку эти ответы постоянно усовершенствовались и расширялись. Они приобретали отвечающий человеческому честолюбию вид.

Иудейская (принимаемая и христианством) космогоническая концепция, изложенная в Библии, складывалась в течение XII-II вв. до нашей эры.

Иудейские религиозные космогонические представления начинаются с утверждения вечного существования Бога, который сотворил Небо и Землю. Земля первоначально находилась во мраке, была безвидна и ничего на ней не было. Из Библии вообще можно понять, что она была полностью покрыта водою. «Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною, и Дух Божий носился над водою» (Бытие, 1: 2). Затем Бог по слову своему создает свет. Он отделил свет от тьмы и назвал свет днем, а тьму – ночью. «И был вечер, и было утро: день один» (Бытие, 1: 5). Это библейское утверждение древних иудеев основано на эмпирических наблюдениях. Они не связывали свет с солнечными лучами, ибо видели, что солнце еще не взошло, но уже становится светло. Или: солнце находится за облаками, но днем светло. Для древних иудеев существовал свет вообще, свет неопределенный, а не как солнечный свет.

Следующим божественным актом творения было создание Неба (тверди) посреди воды, дабы она (твердь) отделяла воду от воды, то есть воду, которая под Небом (твердью), от воды, которая на Небе. Это утверждение также покоится на наблюдениях. Люди видели, что с небес льется вода (идут дожди). Не зная ничего о круговороте воды, они полагали, что небесная вода проливается с самого Неба, которое имеет в себе отверстия, окна, щели, двери и т.д., через которые вода проливается на Землю.

Затем Бог высвобождает Землю от воды, собирая ее в одном месте. Так появляются моря и суша. Далее по слову божьему начинает плодородить сама Земля: она производит зелень, траву, дерево плодовитое и т.д. Теперь начинается создание небесных светил. Создал Бог два светила великие: «светило большое (то есть солнце), для управления днем, и светило меньшее, для управления ночью и звезды; и поставил их Бог на тверди небесной» (Бытие, 1: 16-17). Далее начинает производить вода. Она рождает пресмыкающихся, птиц, рыб. «И сотворил Бог рыб больших и всякую душу животных пресмыкающихся, которых произвела вода, по роду их, и всякую птицу пернатую по роду ее» (Бытие, 1: 21). Но и Земля продолжает производить скотов, гадов, зверей земных по роду их. Наконец, Бог решает создать человека по образу своему, по образу Божию, чтобы владычествовали люди над рыбами морскими, над птицами небесными и над зверями, и над скотом, и над всею землею, и над всеми гадами, пресмыкающимися по земле. «И сотворил Бог человека по образу Своему, по образу Божию сотворил его; мужчину и женщину сотворил их» (Бытие, 1: 27).

Иудейская космогоническая концепция геоцентрична. Именно Земля является центром Вселенной. Небесные светила (Солнце, Луна и звезды) созданы для освещения земли («Да будут они светильниками на тверди небесной, чтобы светить на землю»). В свою очередь она антропологична, ибо венцом творения является человек. Все созданное Богом (твердь небесная со светильниками, земля с зеленью и скотом, вода с рыбами и пресмыкающимися и т.д.) созданы для человека. Можно предполагать, что Бог изначально все творимое им предназначал человеку, хотя человек был сотворен в последний день творения. Конечной целью божественного творения является человек как образ и подобие Бога.

Иудейский религиозно-космический мир троичен или трехэтажен. Верхний этаж – это Небо, являющееся твердым сводом. Оно – обитель Бога, его ангелов и архангелов. Второй этаж – это Земля со всем живущим и произрастающем на ней. Даже божественный рай находится на Земле, в Месопотамии, на территории, ограниченной реками Фесон, Гидон, Тигр и Евфрат. Первый этаж – это подземелье, место, куда прибывают души умерших. Ветхий завет не знает ада и ничего о нем не говорит. В Новом завете существенных отличий от Ветхого по вопросу строения Вселенной нет: признается Небо в качестве божественной обители, где живут святые и души праведников. На Земле живут люди, праведники и грешники, животные и растения и т.д. Но еще постулируется ад, обитель дьявола и его присных, место, куда после смерти попадают души грешников и где они терпят великие муки.

Таким образом, религиозная картина мира, как она изложена в Библии, – это представление древних людей о мире. Эти представления покоились на наблюдениях и на фантазиях людей, на домыслах, которые они создавали, чтобы получить ответы на интересующие их вопросы.

Космологи продолжают продвигаться к окончательному постижению процессов, сотворивших и сформировавших Вселенную.

Вселенная настолько велика в пространстве и во времени, что в течение почти всей истории человечества она оставалась недоступной как для наших приборов, так и для нашего разума. Но все изменилось в XX в., когда появились новые идеи — от общей теории относительности Эйнштейна до современных теорий элементарных частиц. Успех был достигнут также благодаря мощным приборам — от 100- и 200-дюймовых рефлекторов, созданных Джорджем Эллери Хейлом (George Ellery Hale) и открыв- шем для нас галактики за пределами Млечного Пути, до космическо- го телескопа «Хаббл», перенесшего нас в эпоху рождения галактик. За последние 20 лет прогресс ускорился. Стало ясно, что темная материя состоит не из обычных атомов, что существует темная энергия. Роди- лись смелые идеи о космической инфляции и множественности все- ленных.

Сто лет назад Вселенная была проще: вечная и неизменная, состоящая из одной галактики, содер- жащей несколько миллионов видимых звезд. Современная картина намного сложнее и гораздо богаче. Космос возник 13,7 млрд лет назад в результате Большого взрыва. Через долю секунды после начала Вселенная была горячей бесформенной смесью элементарных частиц — кварков и лептонов. По мере расширения и охлаждения шаг за ша- гом возникали структуры: нейтроны и протоны, атомные ядра, атомы, звезды, галактики, скопления галактик и, наконец, сверхскопления. В наблюдаемой части Вселенной сейчас содержится 100 млрд галактик, в каждой из них около 100 млрд звезд и, вероятно, столько же планет. Сами галактики удерживаются от расширения гравита- цией загадочной темной материи. А Вселенная продолжает расширяться и даже делает это с ускоре- нием под действием темной энергии — еще более загадочной формы энергии, чья гравитационная сила не притягивает, а отталкивает.

Главная тема нашего рассказа о Вселенной — это эволюция от примитивного кваркового «супа» к нарастающей сложности галактик, звезд, планет и жизни, наблюдаемой сегодня. Эти структуры появлялись одна за другой в течение миллиардов лет, повинуясь основным законам физики. Путешествуя в прошлое, к эпохе зарождения, космологи сначала продвигаются через детально изученную историю Вселенной назад, к первой микросекунде, затем к $10^{–34}$ с от начала (об этом времени есть ясные идеи, но пока нет их четкого подтверждения) и, наконец, к самому моменту рождения (о котором существуют пока лишь догадки). Хотя мы еще не в силах до конца понять, как родилась Вселенная, у нас уже есть потрясающие гипотезы, такие как понятие о множественной вселенной, включающей в себя бесконечное число не связанных между собой субвселенных.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

  • Наша Вселенная началась с горячего Большого взрыва 13,7 млрд лет назад и с тех пор расширяется и охлаждается. Она эволюционировала от бесформенной смеси элементар- ных частиц к современному высокоструктурированному космосу.
  • Первая микросекунда была определяющим периодом, когда вещество стало доми- нировать над антивеществом, зародилась структура будущих галактик и их скоплений, и возникла темная материя — неизвестное вещество, удерживающее эту структуру.
  • Будущее Вселенной определяется темной энергией — неизвестной формой энергии, ко- торая служит причиной ускорения космологического расширения, начавшегося несколько миллиардов лет назад.

Расширяющаяся Вселенная

В 1924 г. с помощью 100-дюймового телескопа «Хукер» Маунт-Вилсоновской обсерватории Эдвин Хаббл обнаружил, что расплывчатые туман- ности, остававшиеся загадочными несколько столетий, — это такие же галактики, как наша. Тем самым Хаббл увеличил наше представ- ление о Вселенной в 100 млрд раз! А через несколько лет он доказал, что галактики удаляются друг от друга, подчиняясь математической закономерности, известной теперь как закон Хаббла: чем дальше галактика, тем быстрее она движется. Именно из этого закона следует, что Большой взрыв был 13,7 млрд лет назад.


КОСМИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ
Эволюция Вселенной происходит в резуль- тате расширения пространства. Поскольку пространство растягивается, как оболочка воздушного шарика, галактики удаляют- ся друг от друга, а световые волны удлиняются (краснеют).

В рамках общей теории относительности закон Хаббла толкуется так: само пространство расширяется, а галактики перемещаются вместе с ним (рис. вверху). Свет тоже растягивается, испытывая красное смещение, а значит, теряя энергию, поэтому Вселенная при расширении охлаждается. Космическое расширение помогает по- нять, как сформировалась современная Вселенная. Если мысленно устремиться в прошлое, то Вселенная будет становиться все плотнее, горячее, необычнее и проще. Приближаясь к самому началу, мы соприкасаемся с самыми глубинными механизмами природы, используя ускоритель мощнее любого из построенных на Земле — сам Большой взрыв.

Вглядываясь через телескоп в пространство, астрономы буквально попадают в прошлое — и чем больше телескоп, тем глубже проникает их взгляд. Свет, приходящий от далеких галактик, демонстрирует нам древние эпохи, а его крас- ное смещение показывает, насколько расширилась Вселенная за про- шедшее время. Наблюдаемое сейчас рекордное красное смещение около восьми, значит, этот свет был испущен, когда размер Вселенной был в девять раз меньше нынешнего, а возраст — всего лишь несколько сотен миллионов лет. Такие приборы, как космический телескоп «Хаббл» и десятиметровые телескопы «Кек» на Мауна-Кеа, запросто переносят нас в эпоху формирования галактик, подобных нашей — через несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Свет из более ранних эпох настолько сильно смещен в красную часть спектра, что астрономы вынуждены принимать его в инфракрасном и радиодиапазонах. Строящиеся телескопы, такие как инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» диаметром 6,5 м и Большой атакамский миллиметровый комплекс (Atacama Large Millimeter Array, ALMA) — сеть из 64 радиотелескопов на севере Чили, — перенесут нас в прошлое, к эпохе рождения самых первых звезд и галактик.

Компьютерное моделирование показывает, что эти звезды и галак- тики появились, когда возраст Вселенной был около 100 млн лет. Перед этим Вселенная прошла через период, называемый темной эрой, когда она была черной как смоль. Пространство заполняла бесформенная масса из пяти частей темной материи и одной части водорода с гелием, которая разрежалась по мере расширения Вселенной. Вещество было немного неоднородным по плотности, а гравитация действовала как усилитель этих неоднородностей: более плотные области расширялись медленнее, чем менее плотные. К моменту 100 млн лет наиболее плотные области не только замедлили свое расширение, но даже начали сжиматься. Каждая из таких зон содержала около 1 млн солнечных масс вещества; они-то и стали первыми гравитационно связанными объектами в космосе.

Основную часть их массы составляла темная материя, не способная, согласно своему названию, излучать или поглощать свет. Поэтому она образовывала весьма протяженные облака. С другой стороны, водород и гелий, излучая свет, теряли энергию и сжимались к центру каждого облака. В конце концов они съеживались настолько, что превращались в звезды. Эти первые объекты были значительно массивнее современных — сотни масс Солнца. Прожив очень короткую жизнь, они взрывались, выбрасывая в прост-ранство первые тяжелые элементы. Спустя несколько миллиардов лет эти облака с массами в миллионы солнечных под действием гравитации сгруппировались в первые галактики.

Излучение от самых первых водородных облаков, испытавшее сильное красное смещение из-за расширения, можно было бы зарегистрировать с помощью огромных комплексов радиоантенн с общей приемной площадью около квадратного километра. Когда эти радиотелескопы будут созданы, станет известно, как первое поколение звезд и галактик ионизовало водород и тем самым завершило темную эру (см.: Лоеб А. Темные века Вселенной // ВМН, № 3, 2007).

Слабый отблеск горячего начала

Позади темной эры заметен отблеск горячего Большого взрыва при крас- ном смещении 1100. Это изначально видимое (красно-оранжевое) излуче- ние из-за красного смещения стало даже не инфракрасным, а микровол- новым. Заглядывая в ту эпоху, мы ви- дим лишь стену микроволнового из- лучения, заполняющего все небо — космическое микроволновое фоно- вое излучение, открытое в 1964 г. Арно Пензиасом (Arno Penzias) и Ро- бертом Уилсоном (Robert Wilson). Это слабый отсвет Вселенной, пре- бывавшей в младенческом возрас- те 380 тыс. лет, в эпоху формирова- ния атомов. До этого она была почти однородной смесью атомных ядер, электронов и фотонов. Когда Вселен- ная охладилась до температуры око- ло 3000 К, ядра и электроны начали объединяться в атомы. Фотоны пе- рестали рассеиваться на электронах и стали свободно двигаться сквозь пространство, демонстрируя, какой была Вселенная задолго до рождения звезд и галактик.

В 1992 г. спутник NASA «Исследователь фонового излучения» (Cosmic Background Explorer, COBE) обнаружил, что интенсивность этого излучения немного меняется — пример но на 0,001%, указывая на слабую неоднородность в распределении вещества. Степень первичной неоднородности оказалась достаточной, чтобы малые уплотнения стали «затравкой» для будущих галактик и их скоплений, которые позже выросли под действием гравитации. Распределение неоднородностей фонового излучения по небу свидетельствует о важных свойствах Вселенной: о ее средней плотности и составе, о самых ранних этапах ее эволюции. Тщательное изучение этих неоднородностей поведало нам многое о Вселенной.


КОСМИЧЕСКОЕ МИКРОВОЛНОВОЕ ФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — это изображение Вселенной в младенческом возрасте 380 тыс. лет. Слабые вариации интенсивности этого излучения (отмечены цветом) служат космическим Розеттским камнем, дающим ключ к загадкам Вселенной — ее возрасту, плотности, составу и геометрии.


СВЕРХГЛУБОКОЕ ПОЛЕ «ХАББЛА», самое чувствительное из когда-либо полученных изображений космоса, запечатлевшее более 1 тыс. галактик на ранней стадии их формирования.

Продвигаясь от этой точки назад, к началу эволюции Вселенной, мы увидим, как первичная плазма становится все более горячей и плотной. До возраста около 100 тыс. лет плотность энергии излучения была выше, чем у вещества, что и удерживало вещество от фрагментации. А в этот момент началось гравитационное скучивание всех структур, наблюдаемых сейчас во Вселенной. Еще ближе к началу, когда возраст Вселенной был менее одной секунды, не было атомных ядер, а только лишь их составляющие — протоны и нейтроны. Ядра возникли, когда Вселенной исполнилось несколько секунд, и температура и плотность стали подходящими для ядерных реакций. В этом нуклеосинтезе Большого взрыва родились только легкие химические элементы: много гелия (около 25% по массе от всех атомов Вселенной) и немного лития, дейтерия и гелия-3. Остальная плазма (около 75%) осталась в форме протонов, которые со временем стали атомами водорода. Все остальные элементы Периодической таблицы родились миллиарды лет спустя в недрах звезд и при их взрывах.


ВСЕЛЕННАЯ СОСТОИТ в основном из темной энергии и темной материи; природа обеих неизвестна. Обычное вещество, из которого сформированы звезды, планеты и межзвездный газ, составляет лишь малую долю.

Теория нуклеосинтеза точно предсказывает содержание элементов и изотопов, измеренное в наиболее древних объектах Вселенной — в самых старых звездах и газовых облаках с большим красным смещением. Содержание дейтерия, очень чувствительное к средней плотности атомов во Вселенной, играет особую роль: его измеренное значение показывает, что обычное вещество составляет (4,5 ± 0,1)% от полной плотности энергии. Остальное — темная материя и темная энергия. Это в точности согласуется с данными о составе, полученными из анализа фонового излучения. Такое соответствие — огромное достижение. Ведь это два совершенно разных измерения: первое основано на ядерной физике и относится к Вселенной в возрасте 1 с, а второе — на атомной физике и свойствах Вселенной в возрасте 380 тыс. лет. Их согласованность — важный тест не только для наших моделей эволюции космоса, но и для всей современной физики.

Ответы в кварковом супе

До возраста в одну микросекунду не было даже протонов и нейтронов; Вселенная была похожа на суп из базовых элементов природы: кварков, лептонов и переносчиков сил (фотонов, W- и Z-бозонов и глюонов). Мы уверены, что этот «суп с кварками» действительно существовал, поскольку физические условия той эпохи воспроизводятся сейчас в экспериментах на ускорителях частиц (см.: Райордэн М., Зэйц У. Первые микросекунды // ВМН, № 8, 2006).

Изучить ту эпоху космологи надеются не с помощью больших и зорких телескопов, а опираясь на глубокие идеи физики элементарных частиц. Создание Стандартной модели физики частиц 30 лет назад привело к смелым гипотезам, включая теорию струн, пытающуюся объединить казалось бы не связанные между собой частицы и силы. В свою очередь, эти новые идеи нашли приложение в космологии, став такими же важными, как исходная идея горячего Большого взрыва. Они указали на глубокую и неожиданную связь между микромиром и большой Вселенной. Возможно, вскоре мы получим ответы на три ключевых вопроса: какова природа темной материи, в чем причина асимметрии между веществом и антивеществом и как возник комковатый кварковый суп.

Судя по всему, темная материя родилась в эпоху первичного кваркового супа. Природа темной материи пока не ясна, но ее существование не вызывает сомнений. Наша Галактика и все другие галактики, а также их скопления удерживаются тяготением невидимой темной материи. Чем бы она ни была, она должна слабо взаимодействовать с обычным веществом, иначе она как-то проявила бы себя помимо гравитации. Попытки описать единой теорией все наблюдаемые в природе силы и частицы приводят к предсказанию стабильных или долгоживущих частиц, из которых могла бы состоять темная материя. Эти частицы могут быть реликтом эпохи кваркового супа и очень слабо взаимодействовать с атомами. Один из кандидатов — нейтралино, легчайшая из частиц недавно предсказанного класса массивных копий известных частиц. Нейтралино должно иметь массу от 100 до 1000 масс протона, т.е. оно должно рождаться в экспериментах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе вблизи Женевы. К тому же, пытаясь поймать эти частицы из космоса (или же продукты их взаимодействия), физики создали сверхчувствительные детекторы под землей, а также запускают их на аэростатах и спутниках.

Второй кандидат — аксион, сверхлегкая частица с массой примерно в триллион раз меньше, чем у электрона. На ее существование указывают тонкие различия, предсказанные Стандартной моделью в поведении кварков. Попытки зарегистрировать аксион опираются на тот факт, что в очень сильном маг-нитном поле он может превратиться в фотон. Как нейтралино, так и аксион обладают важным свойством: физики называют эти частицы «холодными». Несмотря на то что они рождаются при очень высокой температуре, движутся они медленно и поэтому легко группируются в галактики.

Вероятно, еще один секрет кроется в эпохе первичного кваркового супа: почему сейчас Вселенная содержит только вещество и почти не содержит антивещества. Физики считают, что вначале у Вселенной их было в равном количестве, но в некоторый момент возник маленький избыток вещества — примерно один лишний кварк на каждый миллиард антикварков. Благодаря этому дисбалансу при аннигиляции кварков с антикварками в процессе расширения и охлаждения Вселенной сохранилось достаточно кварков. Более 40 лет назад эксперименты на ускорителях показали, что законы физики устроены немного в пользу вещества; именно это малое предпочтение в процессе взаимодействия частиц на очень раннем этапе привело к рождению избытка кварков.

Вероятно, сам кварковый суп возник очень рано — примерно через $10^{-34}$ с после Большого взрыва, во всплеске космического расширения, известного как инфляция. Причиной этого всплеска стала энергия нового поля, напоминающего электромагнитное поле и на-званного инфлатоном. Именно инфляция должна объяснить такие фундаментальные свойства космоса, как его общую однородность и мелкие флуктуации плотности, породившие галактики и другие структуры во Вселенной. Когда инфлатон распался, он передал свою энергию кваркам и другим частицам, создав таким образом тепло Большого взрыва и сам кварковый суп.

Теория инфляции демонстрирует глубокую связь между кварками и космосом: квантовые флуктуации инфлатона, существовавшие на субатомном уровне, выросли до астрофизических размеров благодаря быстрому расширению и стали зародышем для всех наблюдаемых сегодня структур. Иными словами, картина микроволнового фонового излучения на небе — это гигантское изображение субатомного мира. Наблюдаемые свойства этого излучения согласуются с теоретическим прогнозом, доказывая, что инфляция или нечто ей подобное действительно произошло в очень ранней истории Вселенной.

Рождение Вселенной

Когда космологи пытаются продвинуться еще дальше и понять самое начало Вселенной, их суждения становятся менее уверенными. В течение века общая теория относительности Эйнштейна была основой изучения эволюции Вселенной. Но она не согласуется с другим столпом современной физики — квантовой теорией, поэтому важнейшая задача — примирить их друг с другом. Только с такой объединенной теорией мы сможем продвинуться к самым ранним моментам эволюции Вселенной, к так называемой эре Планка с возрастом $10^{–43}$ с, когда формировалось само пространство-время.

Пробные варианты единой теории предлагают нам удивительные картины самых первых мгновений. Например, теория струн предсказывает существование дополнительных измерений пространства и, возможно, наличие других вселенных в этом суперпространстве. То, что мы называем Большим взрывом, могло быть столкновением нашей Вселенной с другой (см.: Венециано Г. Миф о начале времен // ВМН, № 8, 2004). Сочетание теории струн с теорией инфляции приводит, возможно, к самой грандиозной идее — к представлению о множественной Вселенной (multiverse), состоящей из бесконечного числа несвязанных частей, в каждой из которых свои физические законы (см.: Буссо Р., Полчински Й. Ландшафт теории струн // ВМН, № 12, 2004).

Идея множественной Вселенной еще находится в развитии и нацелена на две важнейшие теоретические проблемы. Во-первых, из уравнений, описывающих инфляцию, следует, что если она произошла один раз, то процесс будет происходить вновь и вновь, порождая бесконечное число «раздутых» областей. Они так велики, что не могут сообщаться друг с другом и поэтому не влияют друг на друга. Во-вторых, теория струн указывает, что эти области имеют разные физические параметры, такие как число пространственных измерений и семейства стабильных частиц.

Концепция множественной Вселенной позволяет по-новому взглянуть на две сложнейшие научные проблемы: что было до Большого взрыва и почему законы физики именно таковы? (Вопрос Эйнштейна: «Был ли у Бога выбор?» относился именно к таким законам.) Множественная Вселенная делает бессмысленным вопрос о том, что было до Большого взрыва, поскольку происходило бесконечное число больших взрывов, и каждый порождал свой всплеск инфляции. Вопрос Эйнштейна тоже теряет смысл: в бесконечном количестве вселенных реализуются все возможные варианты законов физики, поэтому законы, управляющие нашей Вселенной, не представляет собой что-то особенное.

Космологи неоднозначно относятся к идее множественной Вселенной. Если между отдельными субвселенными действительно нет связи, то мы не сможем убедиться в их существовании; фактически они находятся за пределами научных зна-ний. Часть меня хочет закричать: «Пожалуйста, не более одной Вселенной!» Но с другой стороны, идея множественной Вселенной решает ряд принципиальных проблем. Если она верна, то хаббловское расширение Вселенной всего лишь в 100 млрд раз и коперниковское изгнание Земли из центра Вселенной в XVI в. покажутся лишь малым дополнением к нашему осознанию своего места в космосе.

ВО ТЬМЕ

Важнейший элемент современного представления о Вселенной и ее величайшая загадка — темная энергия, недавно обнаруженная и глубоко таинственная форма энергии, вызывающая ускорение космического расширения. Темная энергия перехватила управление у материи несколько миллиардов лет назад. До этого расширение замедлялось под влиянием гравитационного притяжения материи, и гравитация была способна создавать структуры — от галактик до сверхскоплений. Ныне, из-за влияния темной энергии, структуры крупнее сверхскоплений не могут формироваться. А если бы темная энергия победила еще раньше — скажем, когда возраст Вселенной был всего 100 млн лет — то формирование структур прекратилось бы до того, как возникли галактики, и нас бы здесь не было.

У космологов пока весьма смутное представление о том, что же такое эта темная энергия. Чтобы расширение ускорялось, нужна сила отталкивания. Общая теория относительности Эйнштейна указывает, что гравитация предельно упругой формы энергии действительно может вызывать отталкивание. Квантовая энергия, заполняющая пустое пространство, действует именно так. Но проблема в том, что теоретические оценки плотности квантовой энергии не согласуются с требованиями наблюдений; фактически, они превосходят их на много порядков. Другая возможность: космическим ускорением может управлять не новая форма энергии, а нечто, имитирующее эту энергию, скажем, ошибочность общей теории относительности или влияние невидимых пространственных измерений (см.: Кросс Л., Тернер М. Космическая загадка // ВМН, № 12, 2004).

Если Вселенная продолжит ускоряться в нынешнем темпе, то через 30 млрд лет все признаки Большого взрыва исчезнут (см.: Кросс Л., Шеррер Р. Наступит ли конец космологии? // ВМН, № 6, 2008). Все галактики за исключением нескольких ближайших испытают столь большое красное смещение, что станут невидимыми. Температура космического фонового излучения опустится ниже чувствительности приборов. При этом Вселенная станет похожа на ту, какую астрономы представляли себе 100 лет назад, перед тем, как их приборы стали достаточно мощными, чтобы увидеть Вселенную, которую мы знаем сегодня

Современная космология по сути унижает нас. Мы состоим из протонов, нейтронов и электронов, которые в совокупности составляют всего 4,5% Вселенной; мы существуем лишь благодаря тончайшим связям между самым малым и самым большим. Законы микрофизики обеспечили доминирование вещества над антивеществом, появление флуктуаций, ставших затравкой для галактик, заполнение пространства частицами темной материи, обеспечившей гравитационную инфраструктуру, которая позволила сформироваться галактикам, прежде чем возобладала темная энергия, а расширение начало ускоряться (врезка вверху). В то же время космология по своей природе высокомерна. Мысль о том, что мы можем понять что-то в таком безбрежном океане пространства и времени, как наша Вселенная, на первый взгляд кажется абсурдной. Эта странная смесь скромности и самоуверенности позволила нам за прошедший век весьма далеко продвинуться в понимании строения современной Вселенной и ее эволюции. Я с оптимизмом жду дальнейшего прогресса в ближайшие годы и совершенно уверен, что мы живем в золотой век космологии.

Если бы во Вселенной было еще больше темной энергии, она бы осталась почти бесформенной (слева), без тех крупных структур, которые мы видим (справа).

Перевод: В.Г. Сурдин

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

ОБ АВТОРЕ

Майкл Тернер (Michael S. Turner) первым взялся за объединение физики частиц, астрофизики и космологии и в начале нынешнего десятилетия возглавил работу Национальной академии в этой новой области исследований. Он профессор Института космологической физики Фонда Кавли в Чикагском университете. С 2003 по 2006 г. он возглавлял отделение физико-математических наук Национального научного фонда. Среди его наград премия Уорнера Американского астрономического общества, премия Лилиенфельда Американского физического общества и премия Клопстега Американской ассоциации учителей физики.

Как появилась Вселенная?

Как появилась Вселенная?

Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной. Прежде всего следует рассмотреть основные свойства Вселенной, которые должна описываться в рамках космологической модели:

  • Модель должна учитывать наблюдаемые расстояния между объектами, а также скорость и направление их движения. Подобные расчеты основываются на законе Хаббла: cz = H0D, где z – красное смещение объекта, D – расстояния до этого объекта, c – скорость света.
  • Возраст Вселенной в модели должен превышать возраст самых старых в мире объектов.
  • Модель должна учитывать первоначальное обилие элементов.
  • Модель должна учитывать наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной.
  • Модель должна учитывать наблюдаемый реликтовый фон.

Крупномасштабная структура Вселенной

Далее рассмотрим подробнее наиболее популярные в научном сообществе концепции зарождения мира.

Краткая история Вселенной

Рассмотрим кратко общепризнанную теорию возникновения и ранней эволюции Вселенной, которая поддерживается большинством ученых. Сегодня под теорией Большого взрыва подразумевают комбинацию модели горячей Вселенной с Большим взрывом. И хотя данные концепции сперва существовали независимо друг от друга, в результате их объединение удалось объяснить первоначальный химический состав Вселенной, а также наличие реликтового излучения.

Согласно данной теории, Вселенная возникла около 13,77 млрд лет назад из некоторого плотного разогретого объекта — сингулярное состояние, плохо поддающееся описанию в рамках современной физики. Проблема космологической сингулярности, помимо всего прочего, в том, что при ее описании большинство физических величин, вроде плотности и температуры, стремятся к бесконечности. При этом, известно, что при бесконечной плотности энтропия (мера хаоса) должна устремляться к нулю, что никак не совмещается с бесконечной температурой.

Сингулярность в представлении художника

    • Первые 10-43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.
  • Планковский момент – момент окончания квантового хаоса, который выпадает на 10-43 секунду. В этот момент параметры Вселенной равнялись планковским величинам, вроде планковской температуры (около 1032 К). В момент планковской эпохи все четыре фундаментальные взаимодействия (слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное) являлись объединенными в некое одно взаимодействие. Рассматривать планковский момент как некоторый продолжительный период – не представляется возможным, так как с параметрами меньше планковских современная физика не работает.
  • Стадия инфляции. Следующей стадией истории Вселенной стала инфляционная стадия. В первый момент инфляции от единого суперсимметричного поля (ранее включающего поля фундаментальных взаимодействий) отделилось гравитационное взаимодействие. В этот период вещество обладает отрицательным давлением, что вызывает экспоненциальный рост кинетической энергии Вселенной. Проще говоря, в данный период Вселенная стала очень быстро раздуваться, а ближе концу энергия физических полей переходит в энергию обычных частиц. В конце данной стадии значительно повышается температура вещества и излучения. Вместе с окончанием стадии инфляции выделяется и сильное взаимодействие. Также в этот момент возникает барионная асимметрия Вселенной.
  • Стадия радиационного доминирования. Следующая стадия развития Вселенной, которая включает несколько этапов. На этой стадии температура Вселенной начинает понижаться, образуются кварки, затем адроны и лептоны. В эпоху нуклеосинтеза происходит образование начальных химических элементов, синтезируется гелий. Однако, излучение все еще преобладает над веществом.
  • Эпоха доминирования вещества. Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон. Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.

Вышеописанная картина сложена из нескольких основополагающих теорий и дает общие представление о формировании Вселенной на ранних этапах ее существования.

Эволюция Вселенной

Откуда появилась Вселенная?

Если Вселенная возникла из космологической сингулярности, то откуда взялась сама сингулярность? На данный вопрос дать точный ответ, пока, невозможно. Рассмотрим некоторые космологические модели, затрагивающие «рождение Вселенной».

Циклические модели

Данные модели строятся на утверждении, что Вселенная существовала всегда и со временем лишь меняется ее состояние, переходя от расширения к сжатию – и обратно.

  • Модель Стейнхардта-Турока. Данная модель строится на теории струн (М-теории), так как использует такой объект как «брана». Согласно этой модели видимая Вселенная располагается внутри 3-бране, которая периодически, раз в несколько триллионов лет, сталкивается с другой 3-браной, что вызывает подобие Большого Взрыва. Далее наша 3-брана начинает отдаляться от другой и расширяться. В какой-то момент доля темной энергии получает первенство и скорость расширения 3-браны растет. Колоссальное расширение рассеивает вещество и излучение настолько, что мир становится почти однородным и пустым. В конце концов происходит повторное столкновение 3-бран, в результате чего наша возвращается к начальной фазе своего цикла, вновь зарождая нашу «Вселенную».

Моделирование бран

  • Теория Лориса Баума и Пола Фрэмптона также гласит о цикличности Вселенной. Согласно их теории последняя после Большого Взрыва будет расширяться за счет темной энергии до тех пор, пока не приблизится к моменту «распада» самого пространства-времени – Большой Разрыв. Как известно, в «замкнутой системе энтропия не убывает» (второе начало термодинамики). Из этого утверждения следует, что Вселенная не может вернуться к исходному состоянию, так как во время такого процесса энтропия должна убывать. Однако эта проблема решается рамках данной теории. Согласно теории Баума и Фрэмптона за миг до Большого Разрыва Вселенная распадается на множество «лоскутов», каждый из которых обладает довольно малым значением энтропии. Испытывая ряд фазовых переходов, данные «лоскуты» бывшей Вселенной порождают материю и развиваются аналогично первоначальной Вселенной. Эти новые миры не взаимодействуют друг с другом, так как разлетаются со скоростью больше скорости света. Таким образом, ученые избежали и космологической сингулярности, с которой начинается рождение Вселенной согласно большинству космологических теорий. То есть в момент конца своего цикла Вселенная распадается на множество других невзаимодействующих миров, которые станут новыми вселенными.
  • Конформная циклическая космология – циклическая модель Роджера Пенроуза и Ваагна Гурзадяна. Согласно данной модели Вселенная способна перейти в новый цикл, не нарушая второе начало термодинамики. Данная теория опирается на предположение, что черные дыры уничтожают поглощенную информацию, что неким образом «законно» понижает энтропию Вселенной. Тогда каждый такой цикл существования Вселенной начинается с подобия Большого Взрыва и заканчивается сингулярностью.

Инфографика конформной циклической космологии

Другие модели возникновения Вселенной

Среди других гипотез, объясняющих появление видимой Вселенной наиболее популярны две следующие:

  • Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде. Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные. Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.
  • Теория Ли Смолина – предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.

Рождение Вселенной из черной дыры

Итоги

Несмотря на то, что циклические и другие модели отвечают на ряд вопросов, ответы на которые не может дать теория Большого Взрыва, в том числе проблема космологической сингулярности. Все же в комплекте с инфляционной теорией Большой Взрыв более цельно объясняет возникновение Вселенной, а также сходится с множеством наблюдений.

Сегодня исследователи продолжают интенсивно изучать возможные сценарии зарождения Вселенной, однако, дать неопровержимый ответ на вопрос «Как появилась Вселенная?» — вряд ли удастся в ближайшем будущем. На это есть две причины: прямое доказательство космологических теорий практически невозможно, лишь косвенное; даже теоретически нет возможности получить точную информацию о мире до момента Большого Взрыва. По этим двум причинам ученым остается лишь выдвигать гипотезы и строить космологические модели, которые максимально верно будут описывать природу наблюдаемой нами Вселенной.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 32867

Запись опубликована: 02.06.2017
Владимир Соловьев