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.Стейнхардтом 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 10⁶¹г, сжать до плотности I0⁹⁴г/см³ то оно займет объем около 10^-33см³. 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.

Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой плазму из элементарных частиц всех видов и их античастиц в со­стоянии термодинамического равновесия при температуре IO²⁷К, которые свободно превращались друг в друга. В этом сгустке суще­ствовали только гравитационное и большое (Великое) взаимодейст­вия. Потом Вселенная стала расширяться, одновременно ее плот­ность и температура уменьшались. Дальнейшая эволюция Вселен­ной происходила поэтапно и сопровождалась, с одной стороны, дифференциацией, а с другой — усложнением ее структур.

Первичное вещество,из которого родилась Вселенная, сотрудни­ки Г. А. Гамова — Р. Алфер и Р. Герман — назвали библейским сло­вом эл ем (греч. ylem — «первичная материя»). Эта первичная субстан­ция представляла собой нейтронный газ. Ученые считали, что в «пер­вичном аду» родились тяжелые ядра путем присоединения свободных нейтронов, и этот процесс продолжался, пока запас свободных нейтро­нов не истощился.

В начальной стадии (при t< 0,01с) температура очень высока и вещество состоит из нейтронов и протонов в равных пропорциях. Благодаря присутствию электронов, позитронов, нейтрино и антиней­трино происходит непрерывное превращение:

п + е⁺ ↔ р + v

р + е^-↔ п + v⁺

При охлаждении за первые 10 с число протонов увели­чится за счет нейтронов и начнется образование дейтерия, трития, изо­топов гелия: Не-3 и Не-4. Через 100с от начала расширения заканчива­ются все ядерные превращения: водорода получается 90 %, гелия—9 %, остальное приходится на более тяжелые элементы. По весу водо­род составляет около 70 %, гелий—30 %. Это и есть химический со­став Вселенной к началу формирования звезд и галактик.

Для наглядности эту начальную (дозвездную) стадию делят на че­тыре эры. Для каждой из них можно выделить преобладающую фор­му существования материи, в соответствии, с чем и даны названия.

Эра адронов — в самом начале, продолжается 0,0001 с. Плотность d> 10¹⁷кг/м³, Т> 10¹²К,

t < 0,0001с. При высоких температурах могли существовать частицы только больших масс, для которых существен­но и гравитационное взаимодействие. Элементарные частицы разделя­ются на адроны и лептоны, причем первые могут участвовать в силь­ных и быстрых взаимодействиях, а вторые — в более слабых и мед­ленных, поэтому первые эры получили такие названия. Адронная эра — эра тяжелых частиц и мезонов, велика энергия γ-квантов. Основную роль играет излучение; количества вещества и антивещест­ва могут быть примерно равными. В конце адронной эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов. Из равновесия с излучением вышли последовательно гипе­роны, нуклоны, К- и π-мезоны и их античастицы.

Эра лептонов: 0,0001с<t<10с, при этом 10¹⁰К< Т <0¹²К; 10⁷ кг/м³< d< 10¹⁷кг/м³. Основную роль играют легкие частицы, принима­ющие участие в реакциях между протонами и нейтронами. Постепен­но из равновесия с излучением вышли μ-мезоны и их античастицы, электронные и мезонные нейтрино, а избыточные мюоны распались на электроны, электронные антинейтрино и мюонные нейтрино. В конце эры лептонов происходит аннигиляция электронов и позитронов. Спу­стя 0,2с Вселенная становится прозрачной для электронных нейтрино, и они перестают взаимодействовать с веществом. Согласно теории, эти реликтовые нейтрино сохранились до нашего времени, но их тем­пература ниже 2К, поэтому пока их не могут обнаружить.

Фотонная эра приходит позже и продолжается 1 млн лет. Основная доля массы-энергии Вселенной приходится на фотоны, которые еще взаимодействуют с веществом. В первые 5 мин эры происходили собы­тия, во многом определившие устройство нашего мира. В конце лептонной эры происходили взаимные превращения протонов и нейтронов, к началу эры фотонов количества их были примерно равными. При уменьшении температуры протонов стало больше, поскольку реакции с образованием протонов оказывались энергетически более выгодны­ми, значит,более вероятными. Это определило скорости реакций, и к началу следующей эры число нейтронов остановилось на 15 %.

Эра излучения в своем начале характеризуется параметрами: 3000 К< Т< 10¹⁰ К;

10^-18кг/м³< d< 10⁷кг/м³, нейтроны захватываются про­тонами и образуются ядра гелия. За первые минуты некоторое количе­ство нейтронов пошло на образование ядер бериллия и лития, а неко­торое количество распалось. В результате доля гелия в веществе могла составить 1/3. В конце эры температура снизилась до 3000К, плот­ность уменьшилась на 5-6 порядков, в результате чего создались усло­вия для образования первичных атомов. Излучение отделилось от ве­щества. Вселенная стала прозрачной для вещества, и пришло новое время — время вещества. Излучение играет главную роль, образуется гелий. В конце эры главную роль в образовании вещества Вселенной начинает играть само вещество (масса Вселенной).

При Т≈ 3000К и плотности d≈10^-18кг/м³ начинается сложный процесс образования протозвезд и протогалактик.

Модель «горячего» начала объясняла проис­хождение химических элементов, их количественные соотношения сейчас, однако образование крупномасштабных скучиваний в про­странстве или существование квазаров она не объясняла.