Современное состояние космологии. Теории рождения и развития Вселенной

2. Тесно связана  с сингулярностью проблема изотропности  Вселенной. Кажется странным, что  начавшееся с сингулярного состояния расширение оказалось столь изотропным. Не исключено, правда, что анизотропное вначале расширение постепенно стало изотропным под действием диссипативных сил.

3. Однородная  на самых больших масштабах,  на меньших масштабах Вселенная весьма неоднородна (галактики, скопления галактик). Трудно понять, как одна лишь гравитация могла привести к появлению такой структуры. Поэтому космологи изучают возможности неоднородных моделей Большого взрыва.

4. Наконец, можно  спросить, каково будущее Вселенной? Для ответа необходимо знать среднюю плотность материи во Вселенной. Если она превосходит некоторое критическое значение, то геометрия пространства-времени замкнутая, и в будущем Вселенная непременно сожмется. Замкнутая Вселенная не имеет границ, но ее объем конечен. Если плотность ниже критической, то Вселенная открыта и будет расширяться вечно. Открытая Вселенная бесконечна и имеет только одну сингулярность вначале. Пока наблюдения лучше согласуются с моделью открытой Вселенной.

 

 

Модель «Инфляционной Вселенной»

 

 Термин «инфляция» (лат.  «inflation») трактуется как вздутие.

Два исследователя  А. Гут и

П. Сейнхардт  предложили эту модель. В этой модели эволюция Вселенной сопровождается гигантским вздутием квантового вакуума: за 10-30 с происходит увеличение размеров Вселенной в 1050 раз. Инфляция является адиабатическим процессом. Он связан с охлаждением и возникновением различия между слабым, электромагнитным и сильным взаимодействием. Аналогия раздувания Вселенной может быть, грубо говоря, представлена как внезапная кристаллизация переохлажденной жидкости. Первоначально инфляционная фаза рассматривалась как «второе рождение» Вселенной после Большого взрыва. В настоящее время инфляционные модели используют понятие инфлатонного поля. Это гипотетическое поле (от слова «инфляция»), в котором благодаря случайным колебаниям образовалась однородная конфигурация этого поля размером более 10-33 см. Из нее произошло расширение и разогревание Вселенной, в которой мы живем.

Описание событий  во Вселенной на основе модели «Инфляционной Вселенной» полностью совпадает с описанием на основе модели Большого взрыва, начиная с 10-30 с расширения. Фаза раздувания означает, что наблюдаемая Вселенная составляет только часть Вселенной. В учебнике Т. Я. Дубнищевой «Концепции современного естествознания» предлагается следующий ход событий согласно модели «Инфляционной Вселенной»:

1) t — 10-45 с.  К этому моменту после начала  расширения Вселенной ее радиус  составлял приблизительно 10-50 см. Это событие является необычным с точки зрения современной физики. Предполагается, что ему предшествуют события, порождаемые квантовыми эффектами инфлатонного поля. Это время меньше времени «эры Планка» — 10-43 с. Но это не смущает сторонников этой модели, которые проводят вычисления со временем 10-50 с;

2) t — приблизительно  от 10-43 до 10-35 с — эпоха «Великого  объединения» или объединения  всех сил физического взаимодействия;

3) t — приблизительно  от 10-35 до 10-5 — быстрая часть инфляционной фазы, когда диаметр Вселенной увеличился в 1050 раз. Речь идет о возникновении и

образовании электронно-кварковой  среды;

4) t — приблизительно  от 10-5 до 105 с происходит вначале  удержание кварков в адронах,  а затем образование ядер будущих атомов, из которых в дальнейшем образуется вещество.

Из этой модели следует, что через одну секунду  от начала расширения Вселенной идет процесс возникновения вещества, разъединение его с фотонами электромагнитного  взаимодействия и образования протосверхскоплений и протогалактик. Разогревание происходит в результате возникновения частиц и античастиц, взаимодействующих между собой. Этот процесс называется аннигиляцией (лат. nihil — ничто или превращение в ничто). Авторы модели считают, что аннигиляция асимметрична в сторону образования обыкновенных частиц, из которых состоит наша Вселенная. Таким образом, основная идея модели «Инфляционной Вселенной» — исключить из космологии понятие «Большого взрыва» как особого, необычного, исключительного состояния в эволюции Вселенной. Однако в этой модели появляется не менее необычное состояние. Это состояние конфигурации инфлатонного поля. Возраст Вселенной в этих моделях оценивается в 10—15 млрд лет.

«Инфляционная модель» и модель «Большого взрыва»  дают объяснение наблюдаемой неоднородности Вселенной (плотности сгущения вещества). В частности, считается, что при раздувании Вселенной возникли космические неоднородности-текстуры как зародыши агрегатов вещества, которые в дальнейшем разрослись до галактик и их скоплений. Об этом свидетельствует зафиксированное в 1992 г. отклонение температуры реликтового излучения от среднего его значения 2,7 К примерно на 0,00003 К. Обе модели говорят о горячей расширяющейся Вселенной, в среднем однородной и изотропной относительно реликтового излучения. В последнем случае имеется в виду факт практически одинакового значения реликтового излучения во всех частях наблюдаемой Вселенной по всем направлениям от наблюдателя.

Существуют  альтернативные моделям «Большого  взрыва» и «Инфляционной Вселенной»: модели «Стационарной Вселенной», «Холодной Вселенной» и «Самосогласованной космологии».

 

Модель  «Стационарной Вселенной».

 

Эта модель была разработана в 1948 г. Она основывалась на принципе «космологического постоянства» Вселенной: не только во Вселенной не должно быть ни одного выделенного места, но и во времени не должен быть выделен ни один момент. Авторами этой модели являются Г. Бонди, Т. Голдом и Ф. Хойл, последний — широко известный автор популярных книг по проблемам космологии. В одной из своих работ он писал: «Каждое облако, галактика, каждая звезда, каждый атом имели начало, но не Вселенная целиком, Вселенная есть нечто большее, чем ее части, хотя этот вывод может показаться неожиданным»2. Данная модель предполагает наличие во Вселенной внутреннего источника, резервуара энергии, который поддерживает плотность ее энергии-материи на «постоянном уровне, препятствующем сжатию Вселенной». Например, Ф. Хойл утверждал, что если бы в одном ведре пространства за каждые 10 млн лет возникал один атом, то плотность энергии, вещества и излучения во Вселенной в целом будет постоянной. Эта модель не объясняет, каким образом возникли атомы химических элементов, вещество и т. д. Открытие реликтового, фонового излучения сильно подорвало теоретические основания этой модели.

 

Модель  «Холодной Вселенной»

 

Модель была предложена в шестидесятых годах прошлого века советским астрофизиком Я. Зельдовичем. Сравнение теоретических значений плотности и температуры излучения по модели «Большого взрыва» с данными радиоастрономии позволило Я. Зельдовичу высказать гипотезу, согласно которой исходным физическим состоянием Вселенной был холодный протонно-электронный газ с примесью нейтрино: на каждый протон приходится один электрон и одно нейтрино. Обнаружение реликтового излучения, подтверждающего гипотезу об исходном горячем состоянии в эволюции Вселенной, привело Зельдовича к отказу от собственной модели «Холодной Вселенной». Однако идея вычисления соотношений между количеством разного типа частиц и распространенности химических элементов во Вселенной оказалась плодотворной. В частности, было установлено, что плотность энергии-материи во Вселенной совпадает с плотностью реликтового излучения.

 

Модель  «Вселенная в атоме»

 

Эта модель утверждает, что существует на самом деле не одна, а множество Вселенных. Модель «Вселенная в атоме» основывается на понятии замкнутого мира по А. Фридману. Замкнутый мир — область Вселенной, в которой силы притяжения между ее составляющими равны энергии их общей массы. В этом случае внешние размеры подобной Вселенной могут быть микроскопическими. С точки зрения внешнего наблюдателя это будет микроскопический объект, а с точки зрения наблюдателя внутри этой Вселенной все выглядит иначе: свои галактики, звезды и т. п. Эти объекты получили название фридмонов. Академик А. А. Марков высказал гипотезу о том, что фридмонов может быть неограниченное количество и они могут быть полностью незамкнутыми, т. е. у них есть вход в их мир и выход (связь) с другими мирами. Получается множество Вселенных, или, как назвал в одной из своих работ член-корреспондент АН СССР И. С. Шкловский, — Метавселенная.

Идея о множественности  Вселенных высказана А. Гутом, одним  из авторов инфляционной модели Вселенной. В раздувающейся Вселенной возможно образование «аневризмов» (термин из медицины, означает выпячивание стенок кровеносных сосудов) от материнской Вселенной. Согласно этому автору вполне является возможным создание Вселенной. Для этого нужно сжать 10 кг вещества до размера меньшего, чем одна квадриллионная часть элементарной частицы.

 

Модель  «Самосогласованной космологии» постнеклассической науки

Эта модель предложена Нобелевским  лауреатом И. Пригожиным и его  сотрудницей И. Стенгерс в работе «Время, хаос, квант. Крещению парадокса  времени» (М., 2001). В этой модели сделана  попытка уточнить смысл времени  и необратимости на уровне космологии. Это довольно сложная модель в содержательном смысле. В ней главный акцент делается на объяснение процесса необратимости «рождения Вселенной».

Суть проблемы, о которой идет речь в данной модели, заключается в следующем. Если модели «Большого взрыва» и «Инфляционной Вселенной» верны, то возникает вопрос, будет ли Вселенная расширяться вечно. Если да, то это будет модель «Открытой Вселенной». Если нет, то Вселенная должна со временем сжиматься, и это будет модель «Закрытой Вселенной».

 

В этой модели возникает вопрос, какой будет конечная стадия этого сжатия: подобная состоянию перед «Большим взрывом» или это сжатие будет скачком в новую стадию расширения? Если модель Вселенной является открытой, то расширение может быть с некоторой

Фиксированной ее плотностью.

Далее Вселенная  может расширяться по инерции  с фиксированной средней плотностью. Но возможен сценарий, когда она расширяется ускоренно. Тогда вокруг нас будет все меньше и меньше галактик и звезд. Авторы модели «Самосогласованной космологии» называют модели «Большого взрыва» и «Инфляционной Вселенной» стандартными. Согласование между этими стандартными моделями и моделью, предлагаемой указанными выше авторами, основывается на допущении, что процессу раздувания Вселенной предшествует более раннее физическое состояние квантового вакуума с черными мини-дырами с массой порядка планковой массы (масса Планка — 10-5 г). Эти черные мини-дыры, как утверждают авторы модели «Самосогласованной космологии», не могут быть стабильно устойчивыми. Распад черных мини-дыр представляет исходное неустойчивое физическое состояние Вселенной, ведущее к образованию «обычной» материи и излучения. Здесь используется предположение о том, что все черные дыры, а не только черные мини-дыры, при распадах испускают тепловое излучение. Это позволяет характеризировать черные дыры температурой и временем их существования. Величина температуры черной мини-дыры обратно пропордистальна ее массе. Время существования черной дыры возрастает как куб ее массы.

Согласно этой модели черная мини-дыра с планковой массой должна исчезать за время порядка планковского времени (10-43с). Черные мини-дыры, о которых говорится в этой модели, обладают и энтропией: все в себя всасывают и выдают в квантовый вакуум (окружающую их среду) только тепловое излучение. Распад черных мини-дыр ведет к производству энтропии во Вселенной. В целом модель «Самосогласованной космологии» стремится придать законам термодинамики (закон сохранения энергии и закон роста энтропии) космологический смысл. Распад черных мини-дыр сопровождается рождением частиц, поэтому в этой модели наряду с такими понятиями, как плотность, давление, температура, радиус Вселенной, вводится понятие плотности процесса рождения частиц при распадах черных мини-дыр.

Часто авторы этой модели обращаются к гипотезе «бесплатного обеда», появившейся в семидесятых годах прошлого века: какова «цена» затраты энергии за возникновение Вселенной. Согласно некоторым представителям этой гипотезы Вселенная возникает из ничего (полная энергия-масса Вселенной равна нулю) в результате (спонтанной) флуктуации вакуума. Это «ничто» соответствует Вселенной с пространственно-временной кривизной, равной нулю. Правда, здесь возникает ряд вопросов принципиально теоретического характера (отличие, например, отрицательной энергии, связанной с выходом тела из гравитационного поля другого тела, и энергией, выраженной в формуле Е= тс2).

 

Модель «Самосогласованной космологии» делает следующие выводы:

— доинфляционное состояние Вселенной является неустойчивым состоянием квантового вакуума с черными мини-дырами, энергетическим порогом для которых является масса Планка (10-5 г);

— пространство-время (кривизна равна нулю, т. е., по Эйнштейну, сила гравитации, тяжести равна нулю) преобразуется из такого вакуума  в материю за счет диссипации и производства энтропии.

В настоящее  время (конец 2003 г.) на основании предварительного анализа данных, полученных с помощью  микроволнового зонда, запущенного  в 2001 г. на расстояние 1,5 млн км от Земли (точка, где силы тяготения Солнца и Земли уравновешенны), высказываются следующие предположения:

1. Постоянная  Хаббла составляет 71 км/с • Мпс.  Зонд фиксировал микроволновое,  реликтовое излучение. 

2. Возраст Вселенной  — приблизительно 13,7 млрд лет. 

3. Средняя величина  реликтового излучения -2,735 К, и оно возникло, когда Вселенной, было всего 380 тыс. лет.

4. «Темная материя,  или энергия» содержит около  73% всей энергии Вселенной. 

5. Высказывается  предположение о том, что «темная  материя» представляет собой  некую силу отталкивания. Эта  сила через 22 млрд лет преодолеет силу тяготения, господствующую в «светящейся материи» Вселенной, и разорвет