Модель расширяющейся Вселенной и хронология Большого взрыва

Релятивистская модель Вселенной, вытекающая из теории тяготения А. Эйнштейна (1917 г.), позволила снять фотометрический и гравитационный парадоксы. Напомним, что согласно новой модели свойства Космоса определяются распределением гравитационных масс: Вселенная безгранична, но при этом замкнута и представляет собой пространственно-временную четырехмерную сферу с «плавающей» материей. Аналогией может служить любая знакомая нам сфера, например, глобус или сама планета Земля: путешественник никогда не достигнет линии горизонта, но при этом площадь шара может быть выражена точным конечным числом.

Однако, несмотря на очевидную революционность идей, Эйнштейн в начале ХХ в. оставался в плену мировоззренческих установок на статичность и вечность мироздания.

Дальнейшее развитие космологии, становление парадоксальной для классического естествознания XIX в. модели расширяющейся Вселенной удобнее всего рассматривать в хронологическом порядке.

В 1917 г. А. Эйнштейн при создании своих уравнений поля ввел специальную «космологическую постоянную Λ» или «лямбда-член», необходимую для того, чтобы они допускали решения, приводящие к описанию стационарной Вселенной. Интересно, что впоследствии Эйнштейн назвал введение космологической постоянной «величайшей ошибкой своей жизни». Гораздо позднее выяснилось, что «космологическая постоянная» играет важную роль в описании некоторых этапов эволюции Вселенной.

В 1922 г. русский математик и геофизик Александр Александрович Фридман (1888-1925) нашел нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной, положив начало нестационарной космологической модели (расширяющейся или сжимающейся). Важно отметить, что речь шла о расширении самого пространства. Экстраполируя ситуацию в прошлое, можно было придти к сенсационному выводу: в самом начале вся материя Вселенной была сосредоточена в компактной области, из которой и начала свой разлет. Космос в этих расчетах стал напоминать раздувающийся мыльный пузырь или резиновый воздушный шар, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются. Поскольку во Вселенной очень часто наблюдаются явления взрывного характера, у А. Фридмана возникло предположение, что и в самом начале ее развития также лежит аналогичный процесс. Позднее он получил название «Большой взрыв».

Эйнштейн был настолько уверен в невозможности события «начала» Вселенной, что даже опубликовал в одном из журналов небольшую статью о якобы найденной им грубой ошибке, допущенной А. Фридманом. Однако через несколько месяцев переписки Эйнштейн публично снял свои возражения, хотя при этом все же считал результаты Фридмана не имеющими какое-нибудь отношение к действительности, а скорее «игрой ума».

В ходе продолжающихся дискуссий о реальной возможности расширения Космоса рождались новые модели. В частности о расширении Вселенной, наполненной веществом, говорилось и в первой космологической работе крупнейшего бельгийского астронома и математика, католического священника, аббата Ж. Леметра (Georges Lemaître, 1894-1966), опубликованной в 1925 г. Однако для серьезного рассмотрения новой модели требовалось серьезное экспериментальное подтверждение.

Оно было впервые получено спустя четыре года, в 1929 г. Американский астроном Э.Хаббл (Edwin Powell Hubble; 1889-1953) установил, что все наблюдаемые гигантские звездные системы - галактики удаляются от нас и даже вычислил с какой именно скоростью. В своих выводах Э. Хаббл исходил из эффекта Доплера – закономерности изменения частоты и длины регистрируемых волн, вызванной движением их источника. Эффект Доплера каждому легко наблюдать на практике, например, когда мимо наблюдателя, стоящего на платформе, проезжает гудящий локомотив. Предположим, гудок выдает какой-то неизменный определенный тон. Когда локомотив не движется относительно наблюдателя, он слышит именно тот тон, который в действительности издается гудком. Но если локомотив будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится, а длина уменьшится, и наблюдатель услышит более высокий, чем на самом деле, тон. В момент, когда поезд будет проезжать мимо наблюдателя, он услышит тот самый тон, который издается на самом деле. А когда локомотив проедет дальше и будет уже отдаляться, наблюдатель услышит более низкий тон, вследствие меньшей частоты и, соответственно, большей длины звуковых волн. Визуально аналогичный эффект распространения волн на поверхности воды можно наблюдать с берега при движении лодки или пловца.

Анализируя спектры электромагнитного излучения галактик, Хаббл зарегистрировал красное смещение - сдвиг наблюдаемых спектральных линий в красную (длинноволновую) сторону, что свидетельствовало об удалении галактик друг от друга с возрастающей скоростью 55 км/с на каждый миллион парсек. Заметим, что речь идет не о «разлете» галактических систем в пространстве, а о расширении самого пространства, подобно тому, как «разбегаются» точки, нанесенные на поверхность воздушного шара при последующем его надувании. Соответственно, вопрос о месте точки, из которой когда-то начался «разбег» материи, не корректен, потому что изначально все различаемые нами отдельные точки-координаты пространства находились вместе. Впервые термин «Большой взрыв» или «Большой хлопок» (Big Bang) применил британский астроном Ф. Хойл (Sir Fred Hoyle; 1915-(19150624)2001) на одной из своих лекций в 1949 г.

В научном сообществе открытие Э. Хаббла вызвало не только широкий резонанс, но и острые дискуссии. Для надежного подтверждения новой, динамичной картины мира требовались новые факты.

В 1948 г. начали выходить работы русского и американского физика Георгия Антоновича Гамова (1904-1968) о «горячей Вселенной»[2], основанные на модели А. Фридмана. Согласно Фридману, Взрыв породил пространство, наполненное сверхплотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались наблюдаемые тела Вселенной - звезды, галактики и планеты. Георгий Гамов предположил, что первичное вещество мира было не только сверхплотным, но и очень горячим. Новая идея заключалась в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходили ядерные реакции, и в этом «ядерном котле» за несколько минут были синтезированы легкие химические элементы. Самым эффектным результатом данной теории стало предсказание космического фона излучения. По законам термодинамики электромагнитное излучение в ранней Вселенной должно было сосуществовать вместе с горячим веществом, оно не исчезает при общем расширении Космоса и сохраняется - только сильно охлажденным - до сих пор как «эхо Творения» или «эхо Большого взрыва». Гамов смог ориентировочно оценить, какова должна быть температура гипотетического остаточного излучения в настоящее время. Расчет давал весьма низкие показатели, близкие к абсолютному нулю (0 К или −273,15 °C) – от 1 до 10 К. В 1950 г. Г. Гамов внес уточнения в расчеты и назвал температуру около 3 К.

В 1955 г. молодой советский радиоастроном Тигран Арамович Шмаонов экспериментально обнаружил шумовое СВЧ излучение с температурой около 3K, а в 1964 г. американские радиоастрономы А. Пензиас (Arno Allan Penzias; род. в 1933 г.) и Р. Вилсон (Robert Woodrow Wilson; род. в 1936 г.) открыли космический фон излучения и измерили его температуру: она оказалась равной именно 3 К. Это было самое крупное открытие в космологии со времен наблюдения Хабблом в 1929 г. общего расширения Вселенной. В 1978 году А. Пензиасу и Р. Вилсону была присуждена Нобелевская премия «за открытие микроволнового реликтового излучения». Термин «реликтовое (т.е. древнейшее или остаточное) излучение» ввел советский астрофизик Иосиф Самуилович Шкловский (1916-1985). Таким образом, модель «горячей вселенной» Г. Гамова оказалась экспериментально подтвержденной.

Теория «Большого взрыва» предполагала, в частности, что Вселенная должна на 23% состоять из гелия. Проведенные измерения содержания гелия в звездах и туманностях подтвердили эти предсказания. Еще более впечатляющим является подтверждение предположений о количественном содержании в космическом веществе тяжелого изотопа водорода – дейтерия и элемента лития[3].

Изучение реликтового излучения в 1990-е гг. продолжилось при помощи зонда космического фона СОВЕ (Cosmic Background Explorer) агентства NASA. В 2003 и 2009 гг. были запущены специальные астрономические космические аппараты-спутники: WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства и «Планк» (Европейское космическое агентство) для проведения высокоточных измерений параметров реликтового излучения.

Вместе с данными предшествующих измерений, полученная информация позволила физикам развить современную стандартную космологическую модель (ΛCDM (читается «Лямбда-СиДиЭм»; сокращение от Lambda-Cold Dark Matter), согласно которой Вселенная заполнена, помимо обычной барионной материи, темной энергией (описываемой упоминаемой выше космологической постоянной Λ в уравнениях Эйнштейна) и холодной темной материей (Cold Dark Matter). С высокой точностью был установлен возраст Вселенной и распределение по массам различных видов материи («обычная» барионная материя — 4 %, темная материя — 23 %, темная энергия — 73 %). Согласно этой модели возраст Вселенной оценивается в 13,75 млрд. лет. Выяснилось, что наблюдаемое неравномерное распределение вещества напоминает квазиупорядоченные структуры в виде сот с ячейками неправильной формы размерами порядка 100 млн. световых лет. Рождение гармоничной крупномасштабной структуры Вселенной в некоторых богословских моделях соотносится с библейской «твердью» (Быт. 1:6-8) второго творческого дня[4].

Реконструированная хронология Большого Взрыва может быть представлена в следующем виде (рассматриваются только некоторые этапы).

Нулевой этап. Если доверять математическим расчетам, до Большого взрыва все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одной геометрической точке с нулевыми размерами, нулевым временем, но с массой и давлением, стремящимися к бесконечности. Это состояние Г. Гамов предложил назвать Августинской эпохой - в честь блаженного Августина, который говорил о появлении времени вместе с материей и пространством. Это начальное состояние Вселенной называется также сингулярностью (лат. singularis — единственный). Однако, согласно принципу неопределенности В. Гейзенберга, рассмотренному нами в главе, посвященной квантовой механике, вещество никак не может быть «стянуто» в одну точку, т.к. невозможно одновременно вести речь о координатах и скорости частицы. Таким образом, момент начала творения – сингулярность - не подчиняется ни одному из известных законов физики.

В современной инфляционной модели (лат. inflatio — вздутие, раздутие) «началом всего» является восьмимерное пространство или вакуум (лат. vacuum — пустота), приближающееся по размерам к точке. Вакуум нельзя назвать абсолютной пустотой – это среда с особыми свойствами, находящаяся в равновесном состоянии: в ней существуют виртуальные частицы, которые «занимают» у ваккума энергию на краткий миг, чтобы родиться и, возвращая занятую энергию, тут же исчезнуть. Иными словами, происходят квантовые флуктуации полей в возбужденном вакууме. Одна из таких флуктуаций может вывести вакуум из состояния равновесия, виртуальные частицы начинают захватывать энергию без отдачи, становясь реальными. Первые появившиеся нестабильные частицы выдающийся физик И. Пригожин отождествлял с черными мини-дырами, распадающимися на обычную материю и излучение. В целом, процесс мог выглядеть таким образом: спонтанная флуктуация вакуума > появление черных мини-дыр > рождение пространства-времени > рождение элементарных частиц. «Существует некоторая аналогия с переохлажденной жидкостью и порогом перехода в кристаллическое состояние, - писал И. Пригожин, - Мы можем наблюдать в переохлажденной жидкости флуктуации, приводящие к образованию крохотных кристаллов, которые то появляются, то снова растворяются. Но если образуется крупный кристалл, то происходит необратимое событие – кристаллизация всей жидкости». [5]

С точки зрения теории струн, упоминавшейся выше в главе, посвященной строению материи на уровне микромира, начальные условия до Большого взрыва описываются следующим образом: сначала все пространственные измерения плотно свернуты до минимальных размеров планковской длины - 10⁻³³ м. Температура и энергия высоки, но не бесконечны. В начальный момент существования Вселенной все пространственные измерения совершенно равноправны и полностью симметричны: все они свернуты в «многомерный комок» планковских размеров (10⁻³³ м). Далее Вселенная проходит первую стадию понижения симметрии, когда в планковский момент времени (10⁻⁴³ с) три пространственных измерения «отбираются» для последующего расширения и принимают наблюдаемую ныне форму, а остальные сохраняют исходный планковский размер[6].

Инфляционный период. Прошедшее с начала расширения Вселенной время составляет 10⁻³³ с. За этот период с огромной скоростью происходит увеличение ее пространственных размеров до 10⁵⁰ раз. Отсюда и применение термина - «инфляция». Происходит вторичный разогрев материи.

Кварковая эпоха – от 10⁻¹² до 10⁻⁶ с. Электрослабая симметрия нарушена, все четыре фундаментальные физические взаимодействия существуют раздельно. Кварки еще не объединены в адроны. Вселенная заполнена кварк-глюонной плазмой, лептонами и фотонами.

Адронная и Лептонная эры – от 10⁻⁶ до 3 с. На данном этапе температура понизилась до 10¹³ К, прекратилось свободное существование кварков. Начался процесс аннигиляции - взаимоуничтожения барион-антибарионных, а затем лептон-антилептонных пар, сопровождающийся излучением энергии или рождением новых частиц. Благодаря нарушению симметрии вещества-антивещества остается малый избыток барионов над антибарионами (около 1:10⁹). Вещество становится прозрачным для нейтрино.

Протонная (фотонная) эпоха – от 3 минут до 380 тыс. лет. Образуются атомы, идет нуклеосинтез гелия, тяжелого изотопа водорода – дейтерия и лития. Вещество начинает доминировать над излучением, что приводит к изменению режима расширения Вселенной. В конце эпохи Вселенная становится прозрачной для фотонов, возникает реликтовое излучение.

Темные века - от 380 тыс. до 150 млн. лет. Однородная расширяющаяся Вселенная заполнена водородом, гелием, реликтовым излучением, излучением атомарного водорода на волне 21 см.

Эры Реионизации и Вещества – от 150 млн. до 10 млрд. лет. Из уплотнений вещества образуются первые звезды, квазары[7], галактики, скопления и сверхскопления галактик. Водород реионизируется светом звезд и квазаров.

Источником собственного свечения звезд являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Серии ядерных процессов могут порождать более тяжелые химические элементы. Звезды классифицируются по целому раду параметров: размеру, спектрам излучения, яркости, элементарному химическому составу и т.п. В 1910 г. датским астрономом Э. Герцшпрунгом (Ejnar Hertzsprung; 1873-1967) и американским астрофизиком Г. Расселом (Henry Norris Russell; 1877-1957) была разработана специальная диаграмма для классификации звезд и описания процессов их эволюции, носящая в настоящее время имена этих ученых (диаграмма Герцшпрунга-Рассела).