157389 (Проблемы космологии), страница 4

Процесс синтеза ядер легких эле­ментов продолжался около трех ми­нут после начала Большого Взрыва. С падением температуры синтез ге­лия прекратился, и теперь уже “заморозились”, то есть остались неизмен­ными, относительные концентрации гелия и водорода: ядра водорода составляли 70 процентов вещества Вселенной, ядра атомов гелия — 30. Необходимо заметить, что отноше­ние концентраций ядер гелия и водо­рода друг к другу сильно зависит от темпа расширения и, соответственно, от средней плотности вещества во Вселенной. Поэтому в какой-то мере это отношение может использовать­ся для проверки правильности той или иной космологической модели. Оцен­ки содержания гелия в горячих звез­дах во внешней атмосфере Солнца, в солнечном ветре и т. д. дает доста­точное основание для подтверждения правильности “стандартной” теории (дающей цифру в 30 процентов для гелия).

Нейтрино исключительно слабо взаимодействуют с веществом, для них прозрачен даже наш земной шар. Поэтому примерно через 0,3 секунды после Большого Взрыва нейтрино на­чинают “игнорировать” все вещество Вселенной (включая, конечно, и электроны с позитронами). Их число уже не меняется. Говорят, что про­изошло отделение нейтрино от ве­щества. Этот процесс происходит при температуре больше десяти миллиар­дов градусов.

С понижением температуры про­должает играть роль реакция рож­дения электронов и позитронов из энергичных фотонов, но при пяти мил­лиардах градусов идет уже только реакция аннигиляции. Это приводит к тому, что излучение становится глав­ной, основной частью Вселенной.

Конец лептонной эры уже близок. Ее сменяет эра радиации, или, как ее еще называют, эра фотонной плазмы. Число фотонов в миллиард раз превы­шает к этому моменту число выжив­ших протонов.

Бурная молодость Вселенной закончилась. Она была непродолжи­тельной. Что значат несколько минут по сравнению со многими миллиарда­ми лет? Но именно эти несколько минут оп­ределили весь будущий облик нашего мира. Изменись хоть немного темп расширения Вселенной в эти первые сотни секунд, изменился бы и хими­ческий состав Вселенной. Например, если бы “замораживание” нейтронно-протонного состава произошло рань­ше, чем через одну секунду после Большого Взрыва, то большая часть вещества Вселенной состояла бы не из водорода, а из гелия, и наверняка мы имели бы совершенно другой мир, чем тот, который перед нами сегодня.

Когда прошли процессы ан­нигиляции, главную массу вещества Вселенной составляли фотоны, нейт­рино и примесь высокотемператур­ной нейтральной плазмы, состоящей из протонов, ядер атомов гелия и электронов. Нейтрино, как мы уже го­ворили, с веществом не взаимодейст­вует, а фотоны, наоборот, энергично рассеиваются на электронах, и поэто­му вещество для них непрозрачно. Но с понижением температуры фото­ны постепенно теряли свою энергию и в конце концов, когда “термометр” стал показывать примерно 4000К, начались процессы рекомбинации электронов и ядер атомов гелия.

Энергии фотонов уже недостаточ­но, чтобы ионизировать атомы, и во Вселенной появляются сначала атомы гелия, а затем и водорода, который становится главным элементом мира. Процесс рекомбинации начался, ко­гда Вселенной было около 300 тысяч лет, и закончился еще через 700 ты­сяч лет. Этот период также очень важен для космологии. Фотоны, как мы знаем, взаимодействовали с высокотемпературной плазмой, и она была для них непрозрачной. Но, как только гелий и водород стали нейтральными, фотоны получили возможность рас­пространяться свободно, произошло, как принято говорить в космологии, отделение вещества от излучения. С этого момента Вселенная стала прозрачной для фотонов, а они продол­жали остывать по мере расширения Вселенной. Как мы знаем по температуре ре­ликтового излучения, “остыли” они довольно сильно, от 4000 К до 3 К, то есть температура уменьшилась за это время более чем в тысячу раз. Ну а Вселенная соответственно увеличи­ла свои размеры примерно в тысячу раз.

Итак, мы остановились на моменте времени, когда Вселенная еще моло­да. Ей примерно миллион лет. Она за­полнена фотонами, водородом, ге­лием и нейтрино. Правда, многие фи­зики уверены в том, что есть еще це­лый зоопарк различных таинственных частиц, в частности гравитонов и мо­нополей.

Новые подходы

Итак, самое начало рождения, планковское время 10^-43 секунды. Плот­ность вещества 10⁹⁴ г/см³. Темпера­тура 10³² К.

В этом случае более удобно (и по­нятно) говорить о том, что Вселенная заполнена самыми различными вида­ми излучения, полями чудовищной плотности. Частиц нет.

Итак, эта смесь различных типов излучений начинает расширяться. По­чему? Неизвестно. Это первая фаза Большого Взрыва. Попытки описать поведение этих самых-самых ранних стадий Вселенной ограничены на се­годняшний день несовершенством физики. Многие физики полагают, что вот-вот будет создана “идеальная” физическая теория, позволяющая объяснить “все”, в частности, такой вопрос: имеет ли время начало, что происходит в допланковскую эпоху?

На эти вопросы нельзя закрывать глаза. Ведь с чисто философской точ­ки зрения планковские константы не должны ограничивать уровень наше­го познания. Сейчас физики думают, что на расстояниях меньше 10^-33 сан­тиметра континуум пространства-времени распадается, приобретает структуру, напоминающую мыльную пену, где каждый пузырь появляется за счет квантовых флуктуации грави­тационного поля. К тому же при гигантских энергиях, соответствующих планковским масш­табам, многие частицы, считающиеся сейчас элементарными, например кварки, могут быть вовсе не элемен­тарны. И перед физикой элементарных частиц, и перед космологией стоит, как Эверест, проблема создания еди­ной теории объяснения мира.

Сегодняшняя физика берется объ­яснить все или почти все, что проис­ходило во Вселенной, начиная со вре­мен 0,01—1 секунды от Большого Взрыва. Этому в немалой степени спо­собствует состояние термодинамиче­ского равновесия на самых ранних этапах жизни Вселенной. Огромные температуры обеспечивали это рав­новесие.

Почему равновесие так важно для последующей истории вещества? По­чему мы можем не обращать внима­ния на то, что было в момент времени, скажем 10^-20 секунды, а сразу “на­чать” с 10^-2 секунды? Да по той про­стой причине, что если вещество на­ходится в состоянии термодинамиче­ского равновесия, оно “не помнит” своей предыстории, ему, веществу, совершенно безразлично, каким пу­тем его “довели” до состояния рав­новесия.

Раз мы знаем, что она в равновесии в момент времени 0,1 секунды, нам, с точки зрения термодинамики, все равно, что с ней было до этого момен­та. Подтверждение удивительной эффективности методов теоретиче­ской физики в космологии мы нахо­дим в многочисленных наблюдатель­ных данных. Здесь и красное смеще­ние далеких галактик, и изотропность реликтового фона, и распространен­ность легких элементов. Но чем даль­ше мы пытаемся заглянуть в глубины времени, тем больше подводных кам­ней возникает на нашем пути.

Стандартная модель Фридмана сталкивается с су­щественными трудностями при по­пытках экстраполяции ее на раннюю эпоху. Например. Почему Вселенная на больших масштабах столь одно­родна и изотропна? Реликтовое излу­чение в любой точке неба имеет с очень высокой точностью одинаковую температуру. Но это означает, что в далеком прошлом разные точки пространства, которые не могли ниче­го “знать” друг о друге, имели одина­ковую температуру. Почему? Эта про­блема имеет название проблемы го­ризонта, так как точки пространства, о которых мы говорили, не могли “ви­деть” друг друга, не могли обме­няться сигналами, одна точка по отно­шению к другой находилась как бы за горизонтом.

Есть и другие трудности в стандарт­ной модели. Для их преодоления не­давно была разработана так называе­мая теория раздувающейся Вселен­ной, в рамках которой решается и проблема горизонта, и целый ряд других трудностей. Эта теория опери­рует с такими удивительными поня­тиями, как “ложный вакуум”, энер­гия которого в процессе раздувания мира переходит в обычную горячую плазму стандартной модели.

Но это еще не все. Согласно этой теории наблюдаемая Вселенная со­ставляет ничтожную часть мира как целого. В мире может быть много “пузырьковых” вселенных, образо­вавшихся из полостей в ложном ва­кууме. Фактически мы подходим здесь к идее, противоречащей на первый взгляд здравому смыслу, к идее рож­дения вселенных “из ничего”. Эта идея, как пишет один из ее сторонни­ков, кажется абсурдной всем, кроме теоретиков.

В этой теории упоминаются домены. Это область пространства, содержащая нашу Вселенную. Модель раздува­ющейся Вселенной по-новому за­ставляет взглянуть на структуру наше­го мира. Так, если на некотором эта­пе раздувания вся наблюдаемая Все­ленная была размером с теннисный мяч, то вся область расширения (до­мен) , в которой она умещалась, могла быть на 10—20 порядков больше. И таких доменов с разными вселенными могло быть много. Вывод состоит в том, что только малая часть про­странства-времени мира в целом в ходе эволюции превращается во Все­ленную.

Сценарий раздувающейся Вселен­ной имеет дело с картиной мира, в корне отличающейся от картины ми­ра Фридмана, в которой между поня­тиями “мир” и “Вселенная” можно было поставить знак тождества. Вме­сто однородной и изотропной Вселен­ной мы получили мир предельно не­однородный и неизотропный, состо­ящий из множества огромных доме­нов размером 10⁵⁰—10¹⁰⁰ сантимет­ров. И лишь в одном из них словно дырка в куске хорошего швейцар­ского сыра сидит наша наблюдаемая Вселенная размером “всего лишь” в 10²⁸ сантиметров. Физические же параметры этой эк­зотической модели (температура, плотность энергии) через 10^-30 секун­ды совпадают полностью с парамет­рами Вселенной Фридмана.

Вопрос о множествен­ности вселенных — один из самых волнующих как с физической, так и с философской точки зрения. Этот во­прос очень глубокий и содержит в се­бе массу проблем. Из них главная, бесспорно, следующая. Если сущест­вует ансамбль вселенных, то каковы они? Похожи на нашу или нет? И чем, вообще говоря, определяется сходст­во или различие?

В декабре 1981 года в Таллинне со­стоялся Международный симпозиум “Поиск разумной жизни во Вселен­ной”. Большой интерес вызвал доклад И. Новикова, А. Полнарева и И. Ро-зенталя “Численные значения фунда­ментальных постоянных и антропный принцип”. В этой работе очень на­глядно проявился новый (и очень мод­ный) подход к вопросу, почему Все­ленная именно такая, какой мы ее на­блюдаем. Этот вопрос можно пере­фразировать следующим образом: почему значения фундаментальных физических констант имеют именно такие значения, которые наблюдают­ся в нашей Вселенной, а не какие-либо другие? Сторонники антропного принципа дают достаточно простой ответ: “Все­ленная такова, какой мы ее видим, потому, что в ней существуем мы”. Этот залихватский ответ не может, разумеется, доставить чувства удов­летворения. Формулировка ответа са­ма по себе выглядит сомнительной. Действительно, более правильно было бы сказать: “Мы (наблюдатели) су­ществуем потому, что Вселенная именно такая, какой мы ее видим”.

Нельзя не согласиться с С.Хокингом, который говорит о том, что должно быть более глубокое объяс­нение устройства мира, чем то, кото­рое предлагает нам антропный прин­цип. Это объяснение в первую оче­редь должно ответить на вопрос, ко­торый уже был поставлен выше. По­чему скорость света имеет значение 300 тысяч км/сек, а не 500 ты­сяч км/сек? Почему заряд и масса элементарных частиц такие, а не ка­кие-либо другие, и т. д. Современная физика здесь бессильна. Мы можем говорить сейчас лишь о том, что было бы с Вселенной, если изменить чис­ленные значения физических кон­стант. Это очень увлекательная про­блема, и существенный вклад в ее ре­шение внес советский физик И. Розенталь. Следуя сейчас, в частности, его идеям, можно обсудить возможный облик ансамбля вселенных с различ­ными значениями физических “по­стоянных”. Основная мысль здесь со­стоит в том, что даже небольшие их изменения приведут к радикальной перестройке структуры и свойств Вселенной.

Операция варьирования фундамен­тальных констант может показаться сначала и бессмысленной и неправо­мочной. Ведь недаром они называют­ся фундаментальными, неизменными. Но поскольку, с одной стороны, мы подошли к понятию ансамбля вселен­ных, а с другой стороны — сегодня нам неизвестно, в силу каких причин константы физики имеют именно те значения, которые они имеют, подоб­ная операция выглядит достаточно логично. Лишь в том случае, если в любой из возможных вселенных в силу ка­ких-то пока неизвестных причин фи­зические константы такие же, как и в нашем мире, ситуация становится тривиальной: в мегамире есть ан­самбль одинаковых миров.

Вариации различных физических по­стоянных сильно искажают об­лик мира, делая его непригодным для жизни. А что, если попробовать изменить набор констант согласован­но? В докладе И. Новикова и других была поставлена именно такая задача. Оказалось, что есть два “острова устойчивости” для существования сложных стабильных структур, но один из них находится в планковской области, где масса каж­дого объекта порядка планковской массы. В таких вселенных жизнь вряд ли возможна. Наша Вселенная попа­дает в другую область устойчивости. Вывод этой работы состоит в том, что могут быть вселенные с слегка другим набором констант, но тем не менее существования жизни в них исключить нельзя. Разумеется, о фор­мах жизни в других вселенных можно строить сейчас лишь совершенно бес­почвенные предположения.

Неортодоксальные взгляды

В заключение стоит вкратце остановиться на так называемых неортодоксальных точ­ках зрения на эволюцию и происхож­дение нашего мира. Неортодоксаль­ные позиции потому так и названы, что они не находятся в русле гене­рального направления современной космологии.

В 1986 году в солидном научном журнале появи­лась статья X. Альвена — непрере­каемого авторитета в области физики плазмы. Одно из основных положений, ко­торое защищает Альвен, состоит в том, что Вселенная существенно неод­нородна по своей структуре, она имеет клеточное строение. Одна клетка от другой отделяется плазмен­ными стенками, во Вселенной в рав­ных количествах присутствует мате­рия и антиматерия. Вселенная вечна и бесконечна. Альвен делает и более радикальное предположение, отказы­ваясь от ОТО и, считая, что мир может быть вполне объяснен в терминах ньютоновской механики.

С идеями Альвена перекликается и космологическая модель Р. Омнеса, который также “предпочитает” зарядово-симметричную Вселенную. Про­делав соответствующие теоретиче­ские оценки, Омнес сделал вывод об отталкивании нуклонов и антинукло­нов при температуре порядка не­скольких тысяч миллиардов градусов. При этой температуре горячее ве­щество превращается в эмульсию, смесь капель вещества и антивещест­ва. Далее, с понижением температуры происходит их разделение в астроно­мических масштабах. Теория Омнеса вызывает возражения, которые осно­вываются главным образом на наблю­дательных астрономических данных. В то же время эта теория, как отме­чает Я. Зельдович, “красива”, а это, как мы уже говорили, один из важных критериев правильности.

Не один Альвен является привер­женцем вечной и безграничной Все­ленной. Крупные астрофизики Г. Голд, Г. Бонди и Ф. Хойл (один из наиболее известных астрофизиков XX века и ав­тор ряда научно-фантастических рома­нов) еще в 1948 году выдвинули мо­дель так называемого “стационарного состояния”. Эта модель описывает вечно расширяющуюся, безгранич­ную Вселенную. Плотность ее имеет, как это следует из самого названия модели, постоянную величину. Как это может быть, если Вселенная рас­ширяется? Ведь плотность вещества должна в этом случае падать. Авторы модели стационарного со­стояния постулируют непрерывное рождение вещества. Если мы вспом­ним идею о рождении Вселенной из вакуума, то, быть может, рождение частиц, компенсирующих падение плотности из неизвестного с-поля, по­кажется и не столь удивительным. Рождение частиц происходит по все­му пространству, и поэтому теорию стационарной Вселенной называют также теорией непрерывного творе­ния материи. Интересно, как авторы модели об­ходят вопрос о реликтовом излуче­нии. Они предполагают (и это предпо­ложение в известной мере не являет­ся надуманным), что в межзвездном и межгалактическом пространстве могут находиться небольшие частицы графита размерами около 1 милли­метра. Они могут поглощать свет звезд, а затем переизлучать его как раз в форме реликтового фона.

Создание новых моделей имеет под собой очевидную психологиче­скую подоплеку. Теория Большого Взрыва неизбежно сталкивается с проблемой сингулярности, камнем преткновения всей современ­ной физики. Поэтому вполне понятно стремление тем или иным путем обойти эту трудность. Сингулярность как дамоклов меч продолжает угро­жать космологии, и пока физика не разберется с этой проблемой, не бу­дет стройной и законченной теории происхождения мира. Теорию Боль­шого Взрыва нельзя считать неуязви­мой, и поэтому, хотя на сегодняшний день она кажется наиболее правдо­подобной, ей придется “держать уда­ры” по слабым местам. А эти удары бесспорно будут наноситься.