Высшее профессиональное образование т. Я. Дубнищева концепции современного естествознания

Вид материала

Документы

Содержание Н = 75 км/(с • Мпк) и считая, что «сегодняшнее» время жизни Вселенной t Т = 3 К энергия каждого фотона составляет около 10 Дж. Для 500 фотонов в 1 м Е 9.7. Рождение частиц по современной модели развития Вселенной 9.8. Модель инфляционной Вселенной. Изотропность реликтового излучения Спектр начальных неоднородностей Вопросы для самопроверки и повторения

Подобный материал:

• Учебно-методический комплекс концепции современного естествознания высшее профессиональное, 2306.3kb.
• Учебно-методический комплекс концепции современного естествознания высшее профессиональное, 2307.28kb.
• С. Г. Хорошавина концепции современного естествознания курс лекций, 6750.33kb.
• С. Г. Хорошавина концепции современного естествознания курс лекций, 5892.74kb.
• В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 8133.34kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
• Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
• Программа курса «Концепции современного естествознания», 168.05kb.
• Программа дисциплины Концепции современного естествознания Специальность/направление, 456.85kb.
• Бюллетень новых поступлений в нб согу за период с 05. 2011 по 10. 2011гг, 975.89kb.

9.6. Сценарий стационарной Вселенной и «Космология Большого Взрыва»

Космология — наука о строении и эволюции Вселенной. Она изучает свойства всей доступной для наблюдений Вселенной как единого целого. Общие представления о ее строении сложились в астрономии, но задачи космологии можно было решать лишь в XX в. Создание крупных телескопов, развитие фотографической и всеволновой астрономии, спектроскопии и других методов исследования позволили изучить распределение галактик в пространстве, их движения на огромных расстояниях (до 10 млрд св. лет). Мы теперь знаем, что окружены огромным и удивительным миром галактик и квазаров. Понять это было бы невозможно без общей теории относительности (ОТО) — математической базы современной космологии.

Эйнштейн обобщил закон тяготения Ньютона на случай сильных гравитационных полей. Изменились представления о простран-

351

стве и времени — они уже не были сценой для развития драмы истории Вселенной, а участвовали в самом процессе, и материя меняла свойства пространства и времени. Тяготеющие массы искривляют вокруг себя пространство-время, а оно воздействует на материю. Эйнштейн, объединив гравитацию и геометрию Рима-на, получил из средней плотности массы во Вселенной «абсолютные размеры Вселенной». Многие сомневаются в достаточности ОТО для понимания явлений Мегамира — ведь его масштабы превышают лабораторные условия на Земле в 10²⁶ раз! Но изучение ближайших к нам галактик показало, что они состоят из тех же объектов — звезд, звездных скоплений, туманностей. Наука не может обойтись без построения рабочих моделей, независимо от изучаемого объекта. Модели уточняются, частично заменяются или отбрасываются. Можно построить цепочку объектов Мегамира: видимая Вселенная—галактика—Галактика—звезда—планета. Общие закономерности развития Вселенной строятся путем создания моделей.

Модель пустой Вселенной (1917), в которой два объекта расположены на столь большом расстоянии, что можно пренебречь силами притяжения между ними, рассмотрел нидерландский астроном Биллем де Ситтер. Стационарность мира требовала, чтобы галактики удалялись друг от друга с ускорением. Фактически в его решении содержалось предсказание расширения Вселенной, но до открытия Хаббла это представлялось неким казусом. Величина, обратная постоянной Хаббла Н, имеет размерность времени. Отсюда заключают, что за это время вещество галактик «разлетелось» из точки наблюдения. Значит, это время прошло с того момента, когда оно было сконцентрировано в точке. Наблюдаемые скорости разлета достигают 10⁴ км/с, поэтому в момент «начала» должен был произойти взрыв, породивший Вселенную. Пока считали Н= 500 км/(с • Мпк), это время не превышало 2 млрд лет (меньше возраста Земли). Это породило разные гипотезы: расширение Вселенной, изменение скорости света, или «старение» фотона на огромных расстояниях. Если значение H не очень надежно, то линейная зависимость в законе Хаббла считается твердо установленным фактом.

Взяв Н = 75 км/(с • Мпк) и считая, что «сегодняшнее» время жизни Вселенной t₀ приблизительно равно Ro/V₀, подставим V₀ = H₀R₀ из закона Хаббла и получим t₀ = 13 млрд лет. Учитывая приближенность такой оценки, следует отметить, что величина этого времени, которое называют возрастом Вселенной, колеблется от 10 до 20 млрд лет.

Фридман детально исследовал уравнения ОТО и показал, что теория допускает в качестве моделей и развивающиеся системы — коллапсирующие. Стабильная Вселенная Эйнштейна является нестабильной при малейшем возмущении. Фридман выделил три

352

возможности, соответствующие трем моделям Вселенной: 1) к = 0; расширяющееся евклидово пространство; 2) к0; пульсирующая модель, пространство неевклидово (сферический мир); 3) к0; монотонно расширяющееся неевклидово пространство (гиперболический мир).

В первом случае при Л = 0 уравнение, описывающее изменения масштабного фактора, со временем имеет точное решение (модель Эйнштейна—де Ситтера). Начавшееся расширение продолжается неограниченно, и, а возраст Вселенной равен. Параметр ускорения не

меняется и положителен, потому что масштабный фактор растет со временем:. В этой стационарной Вселенной (модель Ф.Хойла) плотность, несмотря на расширение, поддерживается постоянной за счет непрерывного «творения» вещества из особого «энергетического поля».

Во втором случае при, т. е. при наличии дополнительной силы

притяжения, кроме ньютонова тяготения, и открытом искривленном пространстве в пульсирующей Вселенной, в некоторый момент масштабный фактор становится равным нулю, и сон начнет возрастать, достигнет максимума и снова уменьшится до нуля. Если выбрана закрытая модель пространства и Л-член равен некоторой критической величине, определяемой плотностью вещества во Вселенной, то масштабный фактор растет от нуля до определенного максимума, достигаемого в далеком будущем. Если космологическая постоянная становится больше этого критического значения, то масштабный фактор растет, хотя и медленно, но неограниченно. В замкнутой Вселенной и при равенстве космологического члена своему критическому значению возможны два решения: стационарный мир Эйнштейна R(t) = const и модель Эддингтона—Леметра, в которой R(t) = R₁ в бесконечно удаленном прошлом и неограниченно растет в будущем.

Выбор модели Вселенной определяется средней плотностью вещества во Вселенной. Если она больше критической, то k0 и мир замкнут. Для Н= 50 км/(с • Мпк) критическое значение плотности достигает 5 • 10^-27 кг/м³. Это несколько больше средней плотности, размазанной по всему наблюдаемому объему (в пределах одного-двух порядков величины). Но мощный фон рентгеновского излучения свидетельствует о том, что межгалактическое пространство может быть заполнено водородом температурой около 1 млн К. Возможно, существуют и еще какие-то массы во Вселенной, пока не обнаруженные.

Массы звездных скоплений оказались по оценкам несколько больше масс, наблюдаемых в скоплениях объектов, в связи с чем возникла проблема скрытой массы. По опытным данным на каждый протон приходится примерно 1 млрд нейтрино, обладающих массой покоя 5 • 10^-35 кг. И это обилие нейтрино во Вселенной тоже приближает значение средней плотности к критическому значению. Поэтому осциллирующая модель может стать более вероятной, хотя она не сводится к простому повторению циклов «расширение— сжатие», как указывают Зельдович и Новиков.

353

.

Бельгийский аббат Ж.Леметр связал релятивистские модели с данными наблюдений: если разбегание галактик соответствует расширению пространства, то при проектировании на прошлое нужно представить уменьшение объема и увеличение плотности. Эти рассуждения связали с актом творения мира. Первоначальная плотность вещества (протоатом) достигала 10⁹⁶ кг/м³, и это значение плотности определило границы применимости понятий пространства и времени. Поэтому не имеет смысла говорить ни о том, сколько длилась эта сингулярность, ни о том, что было до нее.

Расчеты Фридмана были многократно проверены и Эйнштейном, и Эддингтоном, и де Ситтером. О Фридмане справедливо говорят, что он «на кончике пера» открыл разбегание галактик. Открытие гравитационного красного смещения через несколько лет подтвердило догадки о нестационарном развитии, о расширении Вселенной. Вскоре теоретически было показано, что своеобразие релятивистской космологии вовсе не связано с теорией Эйнштейна, а обусловлено космологической постановкой проблемы. Из динамики Ньютона возможно получить необходимость эволюции, как это и сделал в 1934 г. английский астрофизик Э. Милн.

Модель расширяющейся Вселенной проявляется на уровне галактик, и не существует центра, от которого галактики «разбегаются». В общем случае постоянная Хаббла H зависит от времени, и скорость расширения убывает из-за тормозящего действия гравитации. Если допустить расширение Метагалактики и в прошлом, можно оценить ее возраст примерно в 13 млрд лет. Будущее Вселенной по современным представлениям зависит от средней плотности .

Скорость расширенияпо ОТО

для горячей модели. Здесь Л — космологическая постоянная, учитывающая возможное существование в мире дополнительной силы, помимо силы тяготения; при— это сила отталкивания, при

— сила притяжения.

Расчеты предшествующей истории Космоса в большинстве моделей дают для начала расширения пространства (13 — 20 млрд лет назад) состояние с очень высокими плотностью материи и энергией излучения. В уравнениях появляется математическая сингулярность, и ни одна модель не двигается ранее этого момента. Так как при сжатии газа его температура возрастает, допускают, что в далеком прошлом Вселенная была очень горячей. Именно к модели «горячей Вселенной» пришел Гамов, назвав ее «Космология Большого Взрыва». Его интересовали относительная распространенность и происхождение химических элементов во Вселенной. С.Чандрасекар, Х.Бете, К. Вейцзеккер и другие ученые считали, что в глубинах Солнца не могут образовываться элементы тяжелее гелия.

354

Гамов предположил, что в самом Начале при больших плотностях и температурах ранней Вселенной возможно протекание реакций синтеза элементов. По законам термодинамики при этих условиях в разогретом веществе всегда должно находиться в равновесии с ним и излучение. После нуклеосинтеза, занимающего несколько минут, излучение должно остаться, продолжить движение вместе с веществом в расширяющейся Вселенной и сохраниться до нашего времени, только его температура должна понизиться за это время из-за расширения. Эту схему необходимо было рассчитать и сравнить с ней распространенность элементов в современной Вселенной. Эта работа заняла 10 лет. Гамов консультировался с Э.Ферми и А.Туркевичем, но в 1948 г., когда вместе с Альфе-ром была подготовлена его статья, он вписал в последний момент и Бете. Так появилась знаменитая А-Б-Г-теория. Впоследствии она совершенствовалась в работах Гамова с С. Хаяши, Хойлом, Фаулером, М. Бербиджем, Дж. Бербиджем. Этим же занимались Зельдович, а позже Дж. Пиблс, используя уточненные данные ядерной физики и астрономических наблюдений.

Теория горячей Вселенной дала необходимые соотношения водорода и гелия в современной Вселенной из ядерных реакций в ранней Вселенной. Тяжелые элементы должны были рождаться иначе, возможно, при вспышках Сверхновых звезд. Предсказанное Гамовым фоновое излучение (1953) должно быть изотропным с температурой, близкой к 0 К, или до 10 К, если процесс нуклеосинтеза начинался с 10⁹ К (рис. 9.12).

Гамов получил простое соотношение между плотностями вещества и излучения по мере расширения Вселенной. Плотность излучения уменьшается со временем быстрее, чем плотность вещества, но в прошлом их отношение когда-то было равно единице, а еще раньше излучение по плотности преобладало над веществом. По этой причине излучению должна принадлежать ведущая роль в эволюции Вселенной. Фридман получил формулу изменения во времени плотности излучения, если оно преобладает во Вселенной над веществом, а Вселенная расширяется по параболическому типу, т. е. неограниченно. Эту формулу Фридмана и использовал его ученик Гамов. Он нашел границу между двумя эпохами — преобладания излучения и преобладания вещества, и эта граница приходится на время t = 2,1 • 10¹⁵ = 73 млн лет. В начальный период именно излучение определяло судьбу Вселенной, а после преобладало вещество. В тот момент их плотности были равны 9,4 • 10^-23 кг/м³, а температура излучения составляла 320 К, отсюда можно найти ее современное значение: Т= 320 (2,2 • 10 ¹⁵/t = = (7 • 10¹⁶/t) К. Полученная формула дает температуру излучения в эпоху преобладания вещества над излучением (7 К). Для излучения черного тела такая температура соответствует сантиметровому диапазону. Гамов не надеялся зарегистрировать это фоновое излучение в общем потоке радиоизлучения галактик и межзвездного газа, но Новиков и Дорошкевич считали, что излучение,

355







оставшееся от начала расширения Вселенной, можно обнаружить в сантиметровом диапазоне.

Реликтовое излучение открыли весной того же года. Американские ученые А. Пензиас и Р. Вильсон, отлаживая рупорную антенну нового радиотелескопа, не могли избавиться от помех на длине волны 7,35 см. Уровень этих помех не менялся при повороте антенны, т.е. был изотропен. В 1965 г. выяснилось, что это было фоновое излучение, предсказанное Гамовым. Оно соответствовало расчетам Новикова и Дорошкевича, было чернотельным и имело Т = 2,7 К. По своей плотности это излучение почти в 30 раз превосходило плотность излучения звезд, а концентрация фотонов была больше, чем концентрация обычного вещества.

Плотность реликтового излучения можно оценить. При Т = 3 К энергия каждого фотона составляет около 10^-22 Дж. Для 500 фотонов в 1 м³ Е = 0,5 Дж/м³. И по формуленаходим r = = 5-10^-31 кг/м³. Сейчас для вещества = 5-10"²⁸ кг/м³, т.е. по массе вещество больше в 1000 раз.

Две космологические теории конкурировали — теория расширяющейся Вселенной (начальное состояние было таким горячим

356

и плотным, что могли существовать только элементарные частицы и излучение; затем Вселенная расширялась и охлаждалась, образуя звезды и галактики) и теория стационарной Вселенной (Вселенная существовала всегда, наблюдаемое разрежение вещества компенсируется его непрерывным творением). Теория расширяющейся Вселенной одержала верх благодаря предсказанию, наблюдению и интерпретации космического фонового (реликтового) излучения. Оно не предсказывается и не может быть объяснено второй теорией.

Автор теории вечной стационарной Вселенной — Хойл — вынужден был признать, что придется модернизировать теорию для объяснения реликтового излучения. В 1992 г. измерения ничтожно малых вариаций фонового излучения подтвердили еще одно из предсказаний теории расширяющейся Вселенной. Исследователи интерпретируют эту «рябь» как флуктуации плотности вещества и энергии на ранних стадиях эволюции Вселенной. Такая рябь может объяснить скучивание вещества под влиянием собственной гравитации, ведущее к образованию звезд, галактик и более крупных структур, наблюдаемых в современной Вселенной.

Космология Большого Взрыва Г. Гамова заняла прочное место в современной науке.

9.7. Рождение частиц по современной модели развития Вселенной

Однородное микроволновое излучение, оставшееся от ранних стадий развития Вселенной, пронизывает пространство, что подтверждают и точные исследования, проведенные со спутников. Для понимания явлений космологии используют идеи, опирающиеся на физику элементарных частиц, которая, как и ядерная физика, сыграла большую роль при создании теорий и расширяющейся, и стационарной Вселенной. Особенно ценным для них оказался вклад Эйнштейна и Планка, которые в начале века сформулировали физику абсолютно черного излучения: поскольку на ранней стадии расширения должно быть равновесие между энергией и веществом, то энергия, выделившаяся при взрыве, должна иметь спектр черного излучения.

Теория синтеза химических элементов в звездах была необходима. К началу 30-х гг. знали, что большинство звезд состоят из водорода и гелия, но было неясно, откуда берется углерод. В 50-е гг. Хойл предложил реакцию образования углерода из трех ядер гелия в специфических условиях центра звезды. Возможность такой реакции подтвердил американский физик У. Фаулер на ускорителе высоких энергий, а Хойл и Солпитер подвели под эти эксперименты теорию. К 1957 г. Фаулер, Хойл, Маргарет и Джеффри

357

Бербидж разработали теорию синтеза большинства химических элементов в звездных недрах из водорода и гелия. В звездной топке легкие элементы «сплавились» в тяжелые ядра, которые рассеялись в пространстве из-за взрыва Сверхновых или смерти красных гигантов (каким через 5 млрд лет станет Солнце). Затем цикл повторится, образуя звезды нового поколения.

Однако данная теория не могла объяснить существование трех легких элементов — лития, бериллия и бора. Из-за своей неустойчивой природы эти элементы должны образовываться в газе с низкой плотностью и низкими температурами и, первоначально присутствуя в молодых звездах, должны были распадаться при сжатии и нагревании звезды. Это оставалось загадкой. Хотя содержание каждого из них составляет менее 10^-9 от количества водорода, уникальное происхождение этих элементов делает их «комментаторами» истории Вселенной. Подобные варианты схем рождения элементов создавались в нескольких местах, но не были привязаны к существующим во Вселенной количественным соотношениям элементов.

Первичное вещество, из которого родилась Вселенная, Алфер и Герман назвали библейским словом «илем» (от греч. ylem — первичная материя). Эта первичная субстанция представляла собой нейтронный газ. Они считали, что в «первичном аду» родились тяжелые ядра путем присоединения свободных нейтронов, и этот процесс продолжался, пока их запас не истощился. Алфер и Герман не могли объяснить образование элементов тяжелее гелия, поскольку нет стабильных изотопов с массовыми числами 5 и 8, значит, нельзя получать тяжелые элементы последовательным добавлением нейтронов. После этого интерес к А-Б-Г-теории заметно остыл, и за десять лет (1953—1963) значительных исследований не было. Хойл в шутку назвал эту гипотезу «the big bang theory» — теорией громкого хлопка. Это понравилось конкурентам Хойла, а в России его перевели как «теория Большого Взрыва».

Гипотезу холодной Вселенной начал развивать в 1962 г. Зельдович. На его взгляд, из теории горячей Вселенной следовали слишком большие плотность и температура излучения, не подтверждаемые данными радиоастрономии. Перебрав все возможные варианты, Зельдович остановился на гипотезе, согласно которой исходным веществом был холодный протон-электронный газ с примесью нейтрино, причем на каждый протон приходилось по одному электрону и одному нейтрино. Эту гипотезу Зельдович разрабатывал вплоть до обнаружения реликтового излучения.

Простой расчет опубликовали еще до этого открытия Хойл и Р.Тейлор (1964). Светимость нашей Галактики оценивают числом 10⁵² Дж/с. Если возраст Галактики 10¹⁰ лет, то при постоянной светимости она выделила за это время 2 • 10⁶¹ Дж. При образовании одного ядра гелия выделяется энергия 2,5 • 10^-5 Дж. Значит, за время существования Галактики в ней образовалось 10⁶⁶ а-частиц. При массе частицы 6,67 • 10^-27 кг это составляет 7 • 10³⁹ кг, а масса

358

Галактики — 4 • 10⁴¹ кг. Поэтому к нашему времени отношение гелия к водороду Не/Н могло бы быть 7/400, или 1/57 — по массе, или 1/230 — по числу атомов. Это меньше наблюдаемого соотношения в 20 раз, так как из анализа состава звездных атмосфер, космических лучей получается Не/Н порядка 1/11. Уже из таких простых оценок понятно, как добиться согласия модели с данными соотношениями.

Плотность материи р во Вселенной практически совпадает с плотностью реликтового излучения. Она выражена через энергию, где. С другой стороны, [R = . Следовательно,. Отсюда ясна связь температуры Т и времени t, прошедшего от начала расширения:_.

Сначала (при t0,01 с) температура очень высока, и вещество состоит из нейтронов и протонов в равных пропорциях. Благодаря присутствию электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино происходит непрерывное превращение и обратно: . 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 100 с от начала расширения заканчиваются все ядерные превращения: водорода получается 0,9, гелия — 0,09, остальное приходится на более тяжелые элементы. По массе водород составляет около 0,7, гелий — 0,3. Это и есть химический состав Вселенной к началу формирования звезд и галактик.

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

Эра адронов находится в самом начале, продолжается 0,0001 с. Плотность с. При высоких температурах

могли существовать только частицы, обладающие большой массой, для которых существенно и гравитационное взаимодействие. Элементарные частицы разделяют 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 гамма-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 -мезоны и их античастицы.

Эра лептонов продолжается , при этом

. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами. Постепенно из равновесия с излучением вышли -мезоны и их античастицы, электронные и мезонные нейтрино, а избыточные мю-оны распались на электроны, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино. В конце эры лептонов происходит аннигиляция электронов и позитронов. Через 0,2 с Вселенная становится прозрачной для электрон-

359

ных нейтрино, и они перестают взаимодействовать с веществом. Согласно теории, эти реликтовые нейтрино сохранились до нашего времени, но температура их до 2 К, 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 леп-тонной эры начались взаимные превращения протонов и нейтронов друг в друга. К началу эры фотонов количества их были примерно равными. При уменьшении температуры протонов стало больше, поскольку реакции с образованием протонов оказывались энергетически более выгодными и, значит, более вероятными. Это определило скорости реакций, и к началу эры число нейтронов составило 15 %.

Эра излученияв начале характеризуется параметрами: 3000 К < < Т< 10¹⁰ К; 10~¹⁸ << 10⁷ кг/м³, нейтроны захватываются протонами, и происходит образование ядер гелия. Кроме того, за эти 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 3 000 К, плотность уменьшилась на 5 —6 порядков, в результате чего создались условия для образования первичных атомов. Излучение отделилось от вещества, Вселенная стала прозрачной для него, и пришла новая эра — эра вещества. Излучение играет главную роль, образуется гелий. В конце эры главную роль в образовании вещества Вселенной начинает играть вещество (масса Вселенной).

В звездную эру, наступившую при t1 млн лет, Т3000 К и плотности d10^-18 кг/м³, начинается сложный процесс образования протозвезд и протогалактик.

Грандиозная картина процессов, схематично описанная здесь, разрабатывалась детально, особенную проработку получили самые первые доли секунды. Возможности исследования деталей процессов резко возросли с появлением быстродействующих ЭВМ с большими объемами памяти. Безусловно, эта картина повлияла на наше мироощущение и продолжает уточняться. Модель «горячего» начала объясняла происхождение химических элементов, их количественные соотношения сейчас, но образование крупномасштабных скучиваний в пространстве или существование квазаров она не объясняла.

9.8. Модель инфляционной Вселенной.

Возникновение во Вселенной крупномасштабных

неоднородностей

Крупномасштабное скучивание галактик или существование самих квазаров нельзя объяснить теорией горячей Вселенной. Еще Хаббл, изучая в 20 — 30-е гг. распределение галактик с помощью

360

мощнейшего тогда 100-дюймового телескопа, выявил тенденцию образования групп галактик. Он отметил, что распределение ярких галактик неоднородно в очень больших угловых масштабах. Но при усреднении по областям определенных размеров распределение однородно. Так, вблизи галактических полюсов оно практически однородно, в пределах 10—40° вообще не наблюдается ни одной галактики. Хаббл объяснил это поглощением межзвездного газа, сосредоточенного вдоль плоскости Галактики.

Космическое фоновое излучение — не единственный ключ к разгадке ранней истории Вселенной. Но почему вещество не заполняет равномерно все пространство? Ведь в крупных масштабах усреднения она однородна. Здесь теории микро- и мегамира вновь идут вместе. В теории физики элементарных частиц главный процесс — нарушение симметрии. Во Вселенной нарушение симметрии ведет к образованию космических неоднородностей.

Текстуры — это зародыши агрегатов вещества, неоднородности, появившиеся вскоре после образования Вселенной. Текстуры могли превращаться в ходе эволюции в галактики и их скопления. Они создают вариации плотности, и в этих областях гравитация более эффективно тормозит общее расширение. Если гравитация преобладает над расширением, область начинает сжиматься, увеличивая флуктуации плотности. Ньютон был уверен, что самогра-витирующие облака могут возникать самопроизвольно в равномерно распределенном веществе. Но в однородной космической среде сгустки образуются не так, как кристаллы в переохлажденной жидкости. Космологи считают, что флуктуации плотности в первоначальном огненном шаре, выросшие до современных структур, не могли образоваться самопроизвольно. Поэтому они должны были быть с самого начала.

Вселенная очень неоднородна, что показывают обзоры крупномасштабного распределения галактик. Но она однородна в больших масштабах (больших сотен Мегапарсек). Этот вывод получен из фонового излучения, содержащего информацию о свойствах Вселенной, очень далеко разнесенных в пространстве. Эти свойства оказываются совершенно одинаковыми, хотя эти точки могут идти от самого горизонта, сейчас — с расстояния 26 млрд св. лет (так как расстояние до горизонта 13 млрд св. лет). Галактики имеют тенденцию к скучиванию, образуя струи и сгущения, которые окружают пустоты — войды. Пустоты достигают размеров 100 — 400 млн св. лет. Можно ожидать, что видимое распределение окажется отличным от истинного распределения материи. И говорят, что вещество во Вселенной существует в форме светящихся звезд, газовых облаков и темного вещества. Об этом свидетельствуют и наблюдения орбитальных движений звезд и газа, а масса темного вещества в виде гало составляет до 10 масс видимого объекта (его оценивают по гравитационному воздействию). Природа темного

361

вещества пока не выяснена, некоторые считают его холодным, но оно может скучиваться под влиянием гравитации с образованием объектов от галактик до сверхскоплений.

Но почему Вселенная однородна в одних масштабах и неоднородна в других, что же послужило началом расширения пространства Вселенной? В начальный момент в точке были огромное давление и высокая температура. Давление нагретых газов вызывает интенсивное расширение — взрыв. Если взрыв происходит в воздухе, имеет место перепад давлений между горячим газом и воздухом, вызванный неоднородностью плотности расширяющегося газа. Но вещество Вселенной однородно, поэтому перепада давлений, вызывающего подталкивающую к разлету силу, нет. Огромное давление в самом начале не может служить толчком к быстрому разлету. И наоборот, большое давление ведет, согласно ОТО, к дополнительному тяготению, т. е. даже замедляет расширение.

Эйнштейн ввел в теорию понятие силы гравитационного отталкивания, описываемой константой Л. Модель пустой Вселенной де Ситтера допускает, что космологическая постоянная вызывает ускоренный разлет частиц вещества. По оценкам в самом начале расширения плотность вещества во Вселенной была близка к критической. Причину этого назвали «проблемой критической плотности». В теории элементарных частиц получено, что при сверхбольших энергиях возможно существование монополей, струн (см. 2.8). Монополи — это своеобразные частицы, которые в 10¹⁶ раз массивнее протонов, возникали в эпоху Великого объединения, но в процессе дальнейшей эволюции Вселенной они частично аннигилировали, но должны еще быть. Может, они входят в «скрытую массу» Вселенной, ведь ее плотность в 30 раз превосходит плотность обычной материи. Современная теория вакуума признает существование разных вакуумов, зависящих от способа его получения. Вообще, вакуум — это состояние с минимальным значением энергии, ниже которого уже нельзя опуститься. Если даже удалить все частицы и поля, остается состояние «кипения пустоты». Оказывается, вакуум в некоторых случаях может обладать положительной плотностью энергии, плотностью массы и отрицательным давлением (натяжением). Эти особые свойства вакуума и приводят к увеличению космологической постоянной, которая меняет ситуацию, вызывая гравитационное отталкивание.

По теории А. Гута и П. Сейнхардта, раздувание очень ранней Вселенной было сильным и кратковременным (рис. 9.13). Поэтому нас будет интересовать состояние вакуума, полученного при резком охлаждении Вселенной. Раздувание должно происходить по экспоненте, если силы вакуума становятся превалирующими во Вселенной.

Силы «антигравитации» становятся больше гравитационных, и это служит первотолчком к расширению с ускорением. В 70-е гг.

362



советские физики Д.А. Киржниц и А. Линде показали, что такие условия могут возникать во Вселенной при больших давлениях и резком снижении температуры от очень больших значений, превышающих температуру эпохи Великого объединения. Эффекты квантовой гравитации, по теории Линде, приводят к возможности возникновения вакуумоподобных состояний, когда существует гравитационное отталкивание. Согласно теориям сверхплотной материи, такие состояния могут возникать по нескольким причинам. Плотности эти соответствуют энергиям почти планковским: 10¹⁹ ГэВ = 10³² К. Такую энергию частицы имели в момент порядка 3 • 10^-44 с. Можно вычислить, что в этот момент плотность материи р = 10⁹⁷ кг/м³ и тоже называется планковской. Таким образом, в это время при условиях, близких к планковским, существовало вакуумноподобное состояние, приведшее к инфляционному раз-

363

дуванию. Все локальные скучивания в течение фазы раздувания, или инфляции, сильно расширились, все микроскопические квантовые флуктуации превратились в макроскопические вариации плотности, из которой в будущем образовались структуры. Теория фазы инфляции основана на законах квантовой механики, но квантовые флуктуации настолько велики, что приходится подгонять ряд параметров модели.

Модель раздувающейся, или инфляционной, Вселенной точно совпадает с описанием наблюдаемого мира, начиная с 10^-30 с после Начала. Даже в эти микроскопические доли секунды наблюдается отличие модели. В раздувающейся Вселенной сначала была фаза инфляции (раздувания), когда диаметр Вселенной очень быстро увеличился — в 10⁵⁰ раз больше, чем предполагалось в модели Большого Взрыва. Последствия этого раздувания велики, они приводят к выводу, что наблюдаемая нами Вселенная — часть всей Вселенной. Модель полагает, что Начало было 10—15 млрд лет назад из сингулярного (сверхгорячего и сверхплотного) состояния, расширение пространства продолжается. Эти модели объяснили и реликтовое излучение, и красное смещение в спектрах далеких галактик, и первоначальное содержание легких элементов. Используя данные о мире элементарных частиц, космологи теперь пытаются подобраться почти к самому Началу, к моменту в 10^-45 с после начала расширения. Приходится что-то предполагать о таком экзотическом состоянии, например, о существовании большого числа магнитных монополей.

Модель инфляционной Вселенной позволяет уменьшить число таких «экзотических» частиц. Считается, что в указанные времена законы физики не менялись, состояние описывалось квантовой гравитацией. Вещество было равновесно и однородно. Это был горячий газ элементарных частиц, заполняющий все пространство и расширяющийся вместе с ним. Этот газ отличается от идеального. В 1970 г. расчет Хайвели показал, что водород был в металлической фазе, т.е. его кристаллизация привела к возникновению не только упорядоченной решетки, но и металла, свойства которого похожи на свойства металлического натрия. Открытие магнитного поля Юпитера навело в то время на мысль, что ядро этой планеты состоит из металлического водорода. В таком состоянии водород мог раскалываться на фрагменты. Возможно, что после фазового перехода могли появиться молекулярные кристаллы.

Подобные фрагменты с молекулярно-кристаллической структурой соответствуют по массе наиболее крупным спутникам Юпитера и Сатурна, а фрагменты, состоящие из металлического водорода, превосходят по массе Землю и на 1 — 2 порядка менее массивны, чем планеты-гиганты. Но изменения состояния вещества и излучения были много медленней, чем в исследуемые времена. Эта модель объясняет упомянутые события через 1 с после Нача-

364

ла, позволяя предсказывать и другие явления, которые можно проверить.

Изотропность реликтового излучения, или однородность наблюдаемой Вселенной в больших масштабах, пытается объяснить модель Большого Взрыва. Из-за конечности скорости света всегда существует горизонт — максимальное расстояние, на которое сигнал успел распространиться со времени начала расширения Вселенной. Расстояние между источниками реликтового излучения, находящимися в противоположных направлениях на небесной сфере, в 90 раз превышало расстояние до горизонта в момент излучения.

Спектр начальных неоднородностей задают для объяснения неоднородностей в малых масштабах. Это предположение введено для объяснения скучивания вещества в галактики, скопления галактик, сверхскопления скоплений и т.д. Еще одно слабое место теории, как указывалось выше, — это плотность энергии во Вселенной. По ОТО, тип кривизны пространства определяется плотностью энергии: если она больше критической, определяемой темпом расширения, то пространство замкнуто, если меньше — незамкнуто, если равна — пространство плоское. Последний случай соответствует неустойчивому состоянию, которое никогда не меняется в идеальных условиях. Если в начале она была хоть немного отличной от критической, то это отклонение быстро росло бы со временем. По современным данным, значение отношения плотностей энергии равно от 0,1 до 2. Чтобы попасть в этот диапазон значений параметра, в начале должно быть отличие от 1 с погрешностью до 10^-15 с. Эти приближения заложены в начальные условия стандартной модели Большого Взрыва.

Электромагнитные силы, порождаемые плазмой, играют более существенную роль в формировании Вселенной, чем гравитация, считает шведский астрофизик X. Альфен. Межзвездное пространство заполнено длинными «нитями» и другими структурами, состоящими из плазмы. Силы, понуждающие плазму создавать такие фигуры, заставляют ее образовывать галактики, звезды и звездные системы. Он считает, что Вселенная расширяется под влиянием энергии, выделяющейся при аннигиляции частиц и античастиц, но расширение происходит медленней. Ряд идей Альфена, родившихся из экспериментов с мощными плазменными генераторами, подтвердились опытами на космических аппаратах в Солнечной системе. Космологические модели, основанные на идеях Альфена и данных о плазме, разрабатывает на суперкомпьютерах в Лос-Аламосе группа сотрудников под руководством Э. Ператта. Один из расчетов показал, как нитевидные структуры из плазмы могут дать равномерный микроволновый фон, открытие которого подтвердило модель Большого Взрыва. Есть расчеты, показывающие, как электромагнитные силы могут участвовать вместе с гравитацией в образовании галактик из облаков плазмы. При этом получаются все известные формы галактик без дополнительных предположений о существовании темного вещества, которое вводят в другие модели эволюции Вселенной.

365

Иначе истолковывает красное смещение и закон Хаббла американский астроном Х.Арп. Он называет соотношение Хаббла «единственным шатким предположением, лежащим в основе современной астрономии и космологии». Арп сообщает, что он наблюдал много объектов, которые не следуют закону Хаббла. Он считает, что квазары, обладающие наибольшим красным смещением, на самом деле находятся не на краю Вселенной, как следует из закона Хаббла, а не далее, чем все галактики, хотя их красное смещение много меньше. Ему даже кажется, что квазары могут быть «ответвлениями» галактик.

Идеи Великого объединения взаимодействий на основе симметрии, которая спонтанно может нарушаться, развивает современная теория элементарных частиц. В равновесном состоянии этих нарушений симметрии нет. Но при температурах порядка 10²⁷ К возможны фазовые переходы среди барионов (протонов и нейтронов). Закон сохранения барионного числа исходит из стабильности протонов, поскольку время его жизни порядка 10³¹ лет, что известно из опытов. Из теорий Великого объединения известно, что барионное число сохраняется не точно. При высоких температурах закон нарушается, и этим объясняется зарядовая асимметрия нашей Вселенной. Наблюдаемый избыток вещества над антивеществом — следствие взаимодействия элементарных частиц при температурах чуть ниже критической температуры фазового перехода. При кристаллизации жидкости различные области — домены — могут кристаллизоваться с разным направлением осей. Домены растут, приходят в соприкосновение друг с другом, при этом энергетически выгодно совпадение осей на границах соприкосновения. Но это получается не всегда, и остаются «локальные дефекты». Точечным дефектам соответствуют магнитные монополи, а поверхностным — стенки доменов.

Модель инфляционной Вселенной Алана Гута (1980), детально анализирующая нарушение симметрии при фазовых переходах в столь необычных условиях, сумела уменьшить некий произвол с монополями. Андрей Линде исправил некоторые допущения модели, сохранив ее достоинства. Впервые была сделана попытка разрешить одну из основных проблем мироздания — возникновение всего из «ничего». Энергию Вселенной, которая сохраняется, разделили на гравитационную и негравитационную части, которые имеют разные знаки, и тогда полная энергия Вселенной равна нулю. Если предсказываемое теориями Великого объединения несохранение барионного числа подтвердится, то тогда ни один из законов сохранения не будет препятствовать рождению Вселенной «из ничего». Пока же эти модели дают только предполагаемый механизм, который можно на основе фантазии и знаний рассчитывать на компьютерах.

366

Вопросы для самопроверки и повторения

1. Поясните, что такое «галактика», каковы форма и строение галактик. Где находится Солнечная система в нашей Галактике?
   
2. Каковы источники энергии звезд? Дайте представление об эволюции обычных звезд и красных гигантов и поясните процессы, происходящие в их недрах. Какова перспектива эволюции Солнца?
   
3. Расскажите, что такое Вселенная, каковы ее размеры, какие объекты ее составляют и какие модели развития Вселенной Вам известны.
   
4. Назовите эмпирические подтверждения расширения Вселенной. Что означают понятия «стационарность» и «нестационарность» Вселенной, какова природа реликтового излучения?
   
5. Какие наблюдения подтвердили модель Большого Взрыва?
   
6. Как связаны общая теория относительности и модель расширяющейся Вселенной?
   
7. Почему в результате первичного нуклеосинтеза не могли образоваться химические элементы, существующие сейчас во Вселенной?
   
8. Каково содержание и значение закона Хаббла? Опишите эволюцию Вселенной от Большого Взрыва до начала первичного нуклеосинтеза.
   
9. Дайте представление об инфляционной теории рождения Вселенной.
   

10. Опишите процессы эволюции Вселенной от ее «просветления» до
образования галактик и звезд.