Модель Большого взрыва

В настоящее время наиболее общепринятой (но отметим: далеко не бесспорной!) является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, основанная на общей теории относительности и релятивистской теории тяготения Эйнштейна.

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 проблемой начала эволюции (рождения) Вселенной и ее конца (смерти). 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 14 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 10⁹⁴ 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.

Базовым понятием инфляционной космологии является заимствованное в квантовой теории поля понятие физического вакуума.

Специфическим свойством микромира является существование виртуальных частиц. Виртуальные частицы не наблюдаемы, их рождение и смерть не связаны с законом сохранения энергии. Это обстоятельство позволяет принципиально иначе взглянуть на физический вакуум – незаполненное веществом пространство. Оно не является пустым, оно заполнено виртуальными частицами.

Физический вакуум – это форма материи, лишённая вещества и излучения, но характеризующаяся активность, возникновением и уничтожением виртуальных частиц.

Возбуждённое состояние такого вакуума способно создать гигантскую силу космического отталкивания. Эта сила и вызвала взрыв, раздувание Вселенной по экспоненте (за каждые 10^-32с диаметр Вселенной увеличивался в 10⁵⁰ раз). Огромные запасы энергии, сосредоточенные в исходном физическом вакууме, высвободились в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до температуры примерно 10²⁷К и энергии 10¹⁴ГэВ. Благодаря энергии возникли вещество и антивещество. Как показал А.Д. Сахаров распад частиц и античастиц идёт по-разному: на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица. По мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом и при этом почти всё вещество исчезло. «Почти», но не все, поскольку имелся избыток вещества над антивеществом в одну частицу на миллиард. Именно этот мизерный остаток и послужил материалом, из которого построена вся Вселенная, включая человека.

Методами математического моделирования астрофизикам удалось воспроизвести детали фазовых переходов в первые мгновения существования Вселенной. Уже через 0,01с после начала Большого Взрыва появились ядра водорода и гелия.

Физический вакуум – низшее энергетическое состояние квантовых полей, для которого характерно отсутствие каких-либо реальных частиц. Физический вакуум – это не просто отсутствие поля, а одно из его возможных состояний. В нем происходят виртуальные процессы (порождения и аннигиляции частиц и др.). 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.

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^-33 с 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 10²⁷ К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории «горячего» Большого взрыва.