Модель большого взрыва и расширяющейся вселенной

других галактиках, то даже  при  самой  низкой  оценке  скорости  расширения

сумма окажется меньше одной сотой  той  плотности,  которая  необходима  для

того, чтобы расширение Вселенной прекратилось. Однако и в нашей, и в  других

галактиках  должно  быть  много  темной  материи,  которую   нельзя   видеть

непосредственно, но о существовании, которой  мы  узнаем  по  тому,  как  ее

гравитационное притяжение влияет на орбиты звезд в галактиках.  Кроме  того,

галактики в основном наблюдаются в виде скоплений, и  мы  можем  аналогичным

образом сделать вывод о наличии  еще  большего  количества  межгалактической

темной материи  внутри  этих  скоплений,  влияющего  на  движение галактик.

Сложив массу  всей  темной  материи,  мы  получим  лишь  одну  десятую  того

количества,  которое  необходимо  для  прекращения  расширения.  Но   нельзя

исключить  возможность  существования  и  какой-то  другой  формы   материи,

распределенной равномерно по всей Вселенной  и  еще  не  зарегистрированной,

которая  могла  бы  довести  среднюю  плотность  Вселенной  до  критического

значения,  необходимого,  чтобы  остановить   расширение.   Таким   образом,

имеющиеся данные говорят о том, что Вселенная, вероятно,  будет  расширяться

вечно. Единственное, в чем можно быть совершенно уверенным, так это  в  том,

что если сжатие Вселенной все-таки  произойдет,  то  никак  не  раньше,  чем

через десять тысяч миллионов лет, ибо по крайней мере  столько  времени  она

уже расширяется. Но это не должно  нас  слишком  сильно  тревожить:  к  тому

времени, если мы не переселимся за пределы Солнечной  системы,  человечества

давно уже не будет - оно угаснет вместе с Солнцем!

 

         Все варианты модели Фридмана имеют то общее, что в какой-то  момент

времени в прошлом (десять-двадцать тысяч  миллионов  лет  назад)  расстояние

между соседними галактиками должно  было  равняться  нулю.  В  этот  момент,

который  называется  большим  взрывом,  плотность   Вселенной   и   кривизна

пространства-времени должны были быть бесконечными.

 

         В 1963 г. два советских физика, Е. М. Лифшиц и  И.  М.  Халатников,

сделали еще одну попытку исключить большой взрыв, а с ним и начало  времени.

Лифшиц  и  Халатников  высказали  предположение,   что   большой   взрыв   -

особенность  лишь  моделей  Фридмана,  которые  в  конце  концов  дают  лишь

приближенное  описание  реальной  Вселенной.  Не  исключено,  что  из   всех

моделей, в какой-то мере описывающих существующую  Вселенную,  сингулярность

в точке большого  взрыва  возникает  только  в  моделях  Фридмана.  Согласно

Фридману, все галактики удаляются в прямом  направлении  друг  от  друга,  и

поэтому все они находились в одном  месте.  Однако  в  реально  существующей

Вселенной галактики никогда не расходятся точно  по  прямой:  обычно  у  них

есть еще и небольшие составляющие скорости, направленные под углом.  Поэтому

на самом  деле  галактикам  не  нужно  находиться  точно  в  одном  месте  -

достаточно, чтобы они были расположены очень  близко  друг  к  другу.  Тогда

нынешняя расширяющаяся Вселенная могла возникнуть  не  в  сингулярной  точке

большого взрыва, а на какой-нибудь более ранней  фазе  сжатия;  может  быть,

при сжатии Вселенной столкнулись друг с  другом  не  все частицы.  Какая-то

доля их могла пролететь мимо друг друга и снова разойтись в разные  стороны,

в результате чего и происходит наблюдаемое сейчас расширение Вселенной.  Как

тогда  определить,  был  ли  началом  Вселенной  большой  взрыв?  Лифшиц   и

Халатников занялись изучением  моделей,  которые  в  общих  чертах  были  бы

похожи на модели Фридмана, но отличались от фридмановских  тем,  что  в  них

учитывались нерегулярности и случайный характер реальных скоростей  галактик

во Вселенной. В  результате  Лифшиц  и  Халатников  показали,  что  в  таких

моделях большой взрыв мог быть началом Вселенной даже  в  том  случае,  если

галактики не всегда разбегаются по прямой, по  это  могло  выполняться  лишь

для  очень  ограниченного  круга  моделей,  в  которых   движение   галактик

происходит определенным образом. Поскольку же моделей  фридмановского  типа,

не содержащих большой взрыв, бесконечно больше, чем  тех,  которые  содержат

такую сингулярность, Лифшиц и  Халатников  утверждали,  что  на  самом  деле

большого взрыва не было. Однако позднее они нашли гораздо более общий  класс

моделей фридмановского типа, которые  содержат  сингулярности  и  в  которых

вовсе не требуется,  чтобы  галактики  двигались  каким-то  особым  образом.

Поэтому в 1970 г. Лифшиц и Халатников отказались от своей теории.

 

         Тем не менее их работа имела очень важное значение,  ибо  показала,

что если верна  общая  теория  относительности,  то  Вселенная  могла  иметь

особую точку, большой взрыв. Но эта  работа  не  давала  ответа  на  главный

вопрос: следует ли из общей теории относительности, что у  Вселенной  должно

было быть начало времени - большой взрыв? Ответ на этот вопрос  был  получен

при  совершенно  другом  подходе,  предложенном   в   1965   г.   английским

математиком и физиком  Роджером  Пенроузом.  Исходя  из  поведения  световых

конусов в общей теории  относительности  и  того,  что  гравитационные  силы

всегда  являются  силами  притяжения,  Пенроуз  показал,  что  когда  звезда

сжимается под  действием  собственных  сил  гравитации,  она  ограничивается

областью, поверхность которой в  конце  концов  сжимается  до  нуля.  А  раз

поверхность этой области сжимается до нуля, то же самое  должно  происходить

и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в нулевом  объеме,  так  что

ее плотность и  кривизна  пространства-времени  станут  бесконечными.  Иными

словами, возникнет  сингулярность  в  некоей  области  пространства-времени,

называемая черной дырой.

 

 

4. Рождение и гибель Вселенной

 

          В общей теории относительности Эйнштейна, самой по себе, делается

вывод,  что  пространство-время  возникло  в  сингулярной  точке  большого

взрыва, а свой конец оно должно  находить  в  сингулярной  точке  большого

хлопка (если коллапсирует вся Вселенная) и в сингулярности  внутри  черной

дыры (если коллапсирует какая-нибудь локальная область типа звезды). Любое

вещество, упавшее в такую дыру,  в  сингулярности  должно  разрушиться,  и

снаружи будет ощущаться лишь гравитационное воздействие его  массы.  Когда

же были учтены квантовые  эффекты,  то  оказалось,  что  масса  и  энергия

вещества в конце концов должны, по-видимому, возвращаться оставшейся части

Вселенной, а черная дыра вместе со своей внутренней сингулярностью  должна

испариться и полностью  исчезнуть.  Будет  ли  столь  же  большим  влияние

квантовой механики на сингулярности в точках большого  взрыва  и  большого

хлопка? Что в действительности происходит на очень ранних и очень  поздних

стадиях развития Вселенной, когда гравитационные  поля  настолько  сильны,

что нельзя пренебрегать квантовыми  эффектами?  Есть  ли  действительно  у

Вселенной начало и конец? А если есть, то каковы они?

 

          Католическая   Церковь   совершила   большую   ошибку   в   своих

взаимоотношениях с Галилеем, когда, пытаясь подчинить закону вопрос науки,

объявила, что Солнце вращается вокруг Земли. Теперь, через  века,  Церковь

решила  пригласить  специалистов  и  получить  у   них   консультацию   по

космологии. В конце конференции участники были удостоены  аудиенции  Папы.

Он сказал, что эволюцию Вселенной после большого взрыва изучать можно,  но

не следует вторгаться в сам большой  взрыв,  потому  что  это  был  момент

Сотворения  и,  следовательно,  Божественный  акт.   Папа  не  знал,   что

пространство-время конечно не имеет границ, т. е. что оно не имеет начала,

а значит, нет и момента Сотворения. Чтобы было ясно, какими были мысли   о

возможном влиянии квантовой механики на наши взгляды на рождение и  гибель

Вселенной,  необходимо  сначала  напомнить  общепринятую  картину  истории

Вселенной, основанную на так называемой горячей модели большого взрыва.  В

ней считается, что Вселенная от наших дней до большого взрыва  описывается

одной из моделей Фридмана. В подобных моделях  оказывается,  что  по  мере

расширения Вселенной вещество и излучение в ней охлаждаются. (С  удвоением

размеров  Вселенной  ее  температура  становится  вдвое  ниже).  Поскольку

температура - это просто мера энергии (т. е. скорости) частиц,  охлаждение

Вселенной должно сильно воздействовать на вещество внутри нее.  При  очень

высоких температурах частицы движутся так быстро, что могут  противостоять

любому взаимному притяжению,  вызванному  ядерными  или  электромагнитными

силами, но при охлаждении  можно  ожидать,  что  некоторые  частицы  будут

притягиваться друг к другу и  начнут  сливаться.  Более  того,  даже  типы

частиц, существующих во Вселенной, должны  зависеть  от  температуры.  При

достаточно высоких температурах энергия частиц столь велика, что при любом

столкновении образуется много  разных  пар  частица-античастица,  и,  хотя

некоторая доля этих частиц аннигилирует, сталкиваясь с  античастицами,  их

образование происходит все равно быстрее аннигиляции. Но при более  низких

температурах, когда энергия сталкивающихся частиц  меньше,  пары  частица-

античастица будут образовываться  медленнее  и  аннигиляция  частиц  будет

происходит быстрее рождения.

 

          Считается, что в момент большого взрыва  размеры  Вселенной  были

равны нулю, а сама она была бесконечно  горячей.  Но  по  мере  расширения

температура излучения понижалась.  Через  секунду  после  большого  взрыва

температура  упала  примерно  до  десяти  тысяч  миллионов  градусов;  это

примерно в тысячу  раз  больше  температуры  в  центре Солнца,  но  такие

температуры  достигаются  при  взрывах  водородной  бомбы.  В  это   время

Вселенная состояла из фотонов, электронов, нейтрино (нейтрино -  легчайшие

частицы, участвующие только в слабом и гравитационном  взаимодействиях)  и

их античастиц, а также из некоторого количества протонов и  нейтронов.  По

мере того как Вселенная  продолжала  расширяться,  а  температура  падать,

скорость рождения электрон антиэлектронных пар в соударениях стала  меньше

скорости их уничтожения за счет аннигиляции. Поэтому почти все электроны и

антиэлектроны должны были аннигилировать друг с  другом,  образовав  новые

фотоны, так что осталось лишь чуть-чуть избыточных электронов. Но нейтрино

и антинейтрино не аннигилировали друг с другом,  потому  что  эти  частицы

очень слабо взаимодействуют между собой и с другими частицами. Поэтому они

до сих нор должны встречаться вокруг нас. Если бы их можно было наблюдать,

то у нас появился бы хороший способ проверки модели очень  горячей  ранней

Вселенной. К сожалению, их энергии сейчас слишком  малы,  чтобы  их  можно

было непосредственно наблюдать.  Однако  если  нейтрино  не  является  без

массовой частицей, а обладает небольшой собственной массой, обнаруженной в

неподтвержденном эксперименте советских ученых 1981 г., то  мы  смогли  бы

обнаружить их косвенно: они  могли  бы  оказаться  одной  из  форм  темной

материи, упоминавшейся ранее, гравитационное притяжение которой достаточно

для того, чтобы прекратить  расширение  Вселенной  и  заставить  ее  опять

сжиматься.

 

          Примерно через сто секунд после большого взрыва температура упала

до тысячи  миллионов  градусов,  что  отвечает  температуре  внутри  самых

горячих звезд. При такой температуре  энергии  протонов  и  нейтронов  уже

недостаточно  для  сопротивления  сильному  ядерному  притяжению,  и   они

начинают объединяться друг  с  другом,  образуя  ядра  дейтерия  (тяжелого

водорода), которые состоят из протона  и  нейтрона.  Затем  ядра  дейтерия

присоединяют к себе еще протоны и нейтроны и превращаются  в  ядра  гелия,

содержащие  два  протона  и  два  нейтрона,  а  также  образуют  небольшие

количества  более  тяжелых  элементов  -  лития  и  бериллия.   Вычисления

показывают, что, согласно горячей модели большого взрыва, около  четвертой

части протонов и нейтронов  должно  было  превратиться  в  атомы  гелия  и

небольшое количество тяжелого  водорода  и  других  элементов.  Оставшиеся

нейтроны распались на протоны, представляющие собой  ядра  обычных  атомов

водорода.

 

         

                    Антропный принцип существует в двух вариантах - слабом и сильном.

Слабый антропный принцип утверждает, что во Вселенной, которая велика  или

бесконечна  в  пространстве  или  во  времени,  условия,  необходимые  для

развития разумных существ, будут выполняться только в некоторых  областях,

ограниченных в пространстве и времени. Поэтому разумные  существа  в  этих

областях не должны удивляться, обнаружив, что та область, где  они  живут,

удовлетворяет условиям,  необходимым  для  их  существования.  Так  богач,

живущий в богатом районе, не видит никакой бедности вокруг себя.

 

          Один  из  примеров  применения  слабого  антропного  принципа   -