Современное состояние космологии. Теории рождения и развития Вселенной

атомы на составляющие их элементы (протоны и т. д.). Правда, ученые считают, что эту проблему (уточнение параметров «темной энергии, или материи») нужно исследовать с помощью более совершенного зонда, чтобы получить надежные данные об инфляционной стадии в развитии Вселенной.

   3. Космология и ее связь с физикой частиц

Современная космология – количественная наука, она опирается на многочисленные наблюдательные данные, часть из которых отличается весьма высокой точностью.

Вселенная расширяется: трехмерное пространство растягивается, галактики удаляются  друг от друга. Это означает, что  вещество когда-то было гораздо более  плотным, чем сейчас. Это вещество было очень горячим: мы точно знаем, что в эволюции Вселенной был этап, когда температура достигала 1010 K. Скорее всего, на еще более ранних стадиях достигались температуры на много порядков выше этой. Какие процессы происходили тогда во Вселенной? Какие следы этих процессов можно обнаружить сегодня? Это – один круг вопросов, на которые отвечает космология. Связь с физикой частиц здесь очевидна: при температурах, о которых идет речь, космическая среда состояла из элементарных частиц, эти частицы все время сталкивались друг с другом, а энергия столкновений была сравнима с энергией Большого адронного коллайдера и, вполне возможно, на порядки превышала ее.

Мы также знаем, что на каком-то этапе развития Вселенной произошла генерация темной материи, которая, по-видимому, состоит из массивных, стабильных, электрически нейтральных частиц. Эти частицы присутствуют сейчас в галактиках и скоплениях галактик ; плотность их массы в среднем по Вселенной примерно в 5 раз превышает плотность массы обычного вещества. Что это за частицы? Каковы их свойства? Как они появились во Вселенной? Как их искать в экспериментах на Земле? Такие вопросы особенно сближают космологию и физику частиц. Это же относится к проблеме асимметрии между материей и антиматерией: вещество во Вселенной есть, а антивещества нет (или оно спрятано в очень компактных объектах типа антинейтронных звезд). Каким образом такая асимметрия образовалась в процессе эволюции Вселенной? Вопрос особенно нетривиален всвязи с тем, что в ранней Вселенной активно рождалсь и уничтожались пары «частица-античастица», так что вещества и антивещества было почти (но не совсем!) поровну.

Началась ли эволюция Вселенной сразу с горячей стадии, или перед этой стадией была какая-то другая эпоха? Сейчас можно с определенной уверенностью сказать, что какая-то другая эпоха была. Какая именно? Наиболее популярный ответ – эпоха инфляции, быстрого (экспоненциального) расширения Вселенной. В то время сколько-нибудь обычного вещества во Вселенной не было, а динамикой расширения управляло новое поле – инфлатон. Именно инфляции наша Вселенная обязана тем, что она такая большая и что трехмерное пространство в ней почти не искривлено (сумма углов треугольника со сторонами в десятки миллиардов световых лет равна 180 градусов – экспериментальный факт). Во время инфляции во Вселенной образовались первичные неоднородности, из которых потом сформировались первые звезды, галактики, скопления галактик. Механизмы генерации первичных неоднородностей, как и предсказания относительно их свойств несколько различаются в конкретных инфляционных моделях, но общим для них является то, что первоисточником этих неоднородностей служат вакуумные флуктуации квантовых полей.

Многие модели инфляции согласуются со всеми имеющимися наблюдательными данными. Это, однако, не означает, что гипотезу об инфляции можно считать доказанной. У этой гипотезы имеются конкуренты, которые пока тоже не противоречат наблюдениям. Развитие разных вариантов теории инфляции и конкурирующих теорий, получение наблюдаемых следствий – еще одна задача теоретической космологии. Замечательно, что сравнение теории с космологическими наблюдениями позволит выяснить (причем, скорее всего, в обозримом будущем), какова была Вселенная в первые доли секунды своей эволюции, еще до горячей стадии.

Принимая гипотезу инфляции в качестве рабочей, необходимо ответить на вопрос о том, каким образом инфляционная стадия закончилась и как во Вселенной  появилось горячее вещество. Проект ответа имеется: после инфляции наступила эпоха разогрева, связанная с особенностями динамики инфлатонного поля и его взаимодействием с другими полями. Можно ли что-то узнать из наблюдений об эпохе постинфляционного разогрева? Какие именно следы этой эпохи нужно искать? Однозначного ответа на эти вопросы пока нет.

Довольно неожиданным открытием  рубежа XX – XXI веков стало обнаружение ускоренного расширения Вселенной. Современная Вселенная расширяется почти в том же режиме, как и при инфляции, только темп расширения на много порядков ниже. В рамках имеющейся теории гравитации – общей теории относительности – такое поведение можно объяснить только допустив наличие во Вселенной некоторой субстанции с необычными свойствами, которую называют темной энергией. Роль темной энергии может играть либо вакуум, либо некоторое новое поле (аналог инфлатона). Альтернативное объяснение ускоренного расширения Вселенной может состоять в том, что общая теория относительности перестает работать на сверхбольших расстояниях. Теоретический анализ этих возможностей, их сопоставление с наблюдательными данными, получение предсказаний о проявлениях темной энергии или новой гравитации – одна из «горячих точек» теоретической космологии. Основной инструмент здесь – методы классической и квантовой теории поля, заимствованные из теории элементарных частиц.

В беглом обзоре обо всей космологии не расскажешь. Вот еще примеры  вопросов, на которые она должна давать ответ (в большинстве случаев  этот ответ, скорее всего, положителен): Важны ли с космологичесской точки зрения массы нейтрино, можно ли о них что-то сказать на основе наблюдений? Могут ли во Вселенной существовать новые частицы с экзотическими свойствами, можно ли их «заметить»? Должны ли существовать реликтовые гравитационные волны, образовавшиеся в первые мгновения эволюции Вселенной, могут ли они быть обнаружены? Перечень вопросов можно продолжить...

Космология сегодня находится  в фазе бурного развития. Большинство количественных результатов в ней было получено за последние 10 - 15 лет, и многие из этих результатов стали сюрпризами. И все же пока мы знаем о нашей Вселенной сравнительно немного. Быстрый прогресс теории, наблюдений, эксперимента наверняка приведет к новым открытиям в недалеком будущем.

4. ВЫВОДЫ

1. Первыми релятивистскими моделями в космологии являются модели А. Фридмана, которые привели к созданию модели «Космологического Большого взрыва».

2. Исследования Э. Хаббла галактик  открыли явление «разбегания  галактик». Оно стало рассматриваться как подтверждение релятивистских моделей о неустойчивости плотности энергии-материи во Вселенной, т. е. возможности ее сжатия и расширения.

3. Открытие реликтового (фонового) излучения существенно утвердило  позиции модели «Большого взрыва»  или «Великого космологического  треска». Это излучение свидетельствует о существовании во Вселенной в далеком прошлом некоего сверхгорячего и сверхплотного состояния в чрезвычайно малом объеме.

4. Модели «Инфляционной Вселенной»  ввели особую стадию в эволюцию  Вселенной, назвав ее инфляционной, которая ведет к существенному увеличению объема Вселенной за относительно короткое время. Расширение и разогревание идет из однородной конфигурации инфлатонного поля без образования черных дыр.

5. Модель «Самосогласованной космологии»  объясняет высокую температуру  реликтового излучения существованием черных мини-дыр в квантовом вакууме, распад которых ведет к необратимому процессу рождения частиц с положительной и отрицательной энергией. Последующий этап превращения частиц с положительной и отрицательной энергией ведет к асимметрии в пользу частиц с положительной энергией. В результате получается модель «Открытой Вселенной», в которой преобладают обычные частицы, а не их античастицы.

Заключение

Как часто бывает в науке, впечатляющие успехи физики частиц и космологии поставили неожиданные и фундаментальные вопросы. Мы сегодня не знаем, что представляет собой основная часть материи во Вселенной. Мы можем только догадываться, какие явления происходят на сверхмалых расстояниях, и какие процессы происходили во Вселенной на самых ранних этапах её эволюции. Замечательно, что на многие из этих вопросов ответы будут найдены в обозримом будущем — в течение 10–15 лет, а может быть, и раньше. Наше время — это время кардинального изменения взгляда на природу, и главные открытия здесь еще впереди.

Список использованных источников

1)http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/astronomiya/KOSMOLOGIYA.html   (интернет-энциклопедия, раздел «Наука и техника», «Астрономия»)

2)http://www.kocmoc.info/cosmology.htm  (сетевой информационный ресурс о космонавтике СССР и России, раздел «Космология»)

3)http://ppc.inr.ac.ru/cosmology_reklama.php  (сайт кафедры физики частиц и космологии физического факультета МГУ, раздел «Космология» )

4) Лихин А. Ф. Концепции  современного естествознания: учеб.— М.: Издательство «Проспект», 2006. – с. 89-95