Начальная стадия Вселенной

Начало Вселенной атомы и пустота, все же остальное существует лишь во мнении.

Диоген

Проблема возникновения структурности мира и жизни во Вселенной традиционно трактуется следующим образом: окружающая нас Вселенна обладает определенными физическими свойствами и закономерностями познаваемыми нами. Как в таком случае происходит эволюция Вселенной приводящая к достаточно сложным структурам, как зарождается и эволюционирует в такой Вселенной жизнь? От ответа на эти, во многом ещ не решенные вопросы зависят возможность существования жизни в разных областях Вселенной и в другие времена и направления ее поиска.

Любая физическая теория, например уравнение Максвелла в электродинамике, ставит перед собой задачу дать полное физическое описание той или иной системы, если известен полный набор начальных данных поскольку в различных физических явлениях начальные данные различны, Но если обратиться к космологии, которая должна описать свойства одно единственной системы — нашей Вселенной, вопрос о начальных данны и фундаментальных постоянных неразрывно связан с вопросом: почем Вселенная именно такая, какой мы ее наблюдаем. Прежде чем подойт к ответу на этот вопрос, рассмотрим, какими представляются современному естествознанию начальные условия нашей Вселенной.

Наиболее важным моментом современной стандартной космологической модели Вселенной является вопрос о свойствах ранней Вселенной. Удовлетворительное описание свойств ранней Вселенной дается в модел де Ситтера. Более поздние промежутки эволюции Вселенной описан в модели Фридмана. Переход от одного закона к другому означает радикальное изменение основных свойств Вселенной в этот момент, изменени ее фазового состояния.

Модель экспоненциального роста размеров Вселенной де Ситтера Я «ехр (Н • ?) на начальной стадии ее эволюции получила название модели «раздувающейся Вселенной». По этой модели при? —> 0 вся энергия мира был заключена в его вакууме. Деситтеровская стадия расширения длилась примерно 10~³⁵ с. Все это время Вселенная быстро расширялась (см. табл. 11.1) заполняющий ее вакуум как бы растягивался без изменения своих свойств Образовавшееся состояние Вселенной было крайне неустойчивым, энергетически напряженным. В таких случаях достаточно возникновения малейших неоднородностей, играющих роль случайной затравки, чтобы вызват переход в другое состояние (в качестве примера можно привести явлени кристаллизации). При переходе вакуума в другое состояние мгновенн выделялась колоссальная энергия за счет разности его начального и конечного состояний. Примерно за 10~³² с пространство раздулось в громадны раскаленный шар с размерами много большими видимой части Вселенной При этом произошло рождение из вакуума реальных частиц, из которы со временем сформировалось вещество нашей Вселенной.

В последнее время усиленно обсуждаются причины того «первотолчка», который был началом расширения нашей Вселенной. Один из возможны механизмов, основанный на гипотезе о существовании кванта единого пространства-времени, описан в теории инфляционной Вселенной. Рассмотрим ее основные положения и выводы.

А. Эйнштейном была выдвинута идея о существовании космического отталкивания. Если учесть эти силы в уравнениях динамики Вселенной то полное ускорение оказывается равным

Ускорение тяготения я_тяг равно

Ускорение отталкивания а_отт в соответствии с гипотезой Эйнштейна пропорционально /? и равно:

где Л — космологическая постоянная, равная «10~⁵⁶см².

Рассмотрим случай, когда во Вселенной нет вещества, она «пуста». При этом М = 0 и а_тяг = 0. Динамика Вселенной описывается ускорением а_от Можно показать, что при этом две пробные частицы, помещенные в таку пустую Вселенную, будут удаляться друг от друга, но закону:

Согласно современным концепциям естествознания вакуум — не пустота; в физическом вакууме непрерывно происходят процессы рождения и уничтожения виртуальных частиц. Это своеобразное «кипение» вакуума нельз устранить, ибо оно означало бы нарушение одного из основных законов квантовой физики, а именно соотношения неопределенностей Гейзенберга. Ка показал академик Я. В. Зельдович в 1967 г., в результате взаимодействия виртуальных частиц в вакууме появляется некоторая плотность энергии и возникает отрицательное давление. Такое вакуумно-подобное состояние неустойчиво и с течением времени распадается, превратившись в обычную горячу материю. Энергия вакуумно-подобного состояния перейдет в энергию обычной материи, гравитационное отталкивание сменится обычной гравитацией замедляющей расширение. С этого момента Вселенная начнет развиватьс по известной стандартной космологической горячей модели эволюции.

Рассмотрим исходные положения этой модели и ее основные результаты. Горячая модель Вселенной, как и любая другая, исходит из наблюдающегося в настоящее время факта ее расширения и объясняет три достоверно установленных факта — наличие барионной асимметрии Вселенной, космическое отношение числа фотонов к числу барионов, примерно равное 10⁹, и однородность и изотропность реликтового излучения. Теори «Большого Взрыва» в наши дни считается общепринятой. Согласно это теории наша Вселенная развивалась из первоначального состояния, которое можно представить в виде сгустка сверхплотной раскаленной материи Излучение и вещество в нем находились в тепловом равновесии. В это ранней Вселенной фотоны эффективно взаимодействовали с веществом число частиц было равно числу античастиц.

В развитии Вселенной принято выделять следующие четыре стадии: «адронная эра», «лептонная эра», «эра излучения» и «эра вещества» «Адронная эра» продолжалась до? = 10^-4 с. При этом р > 10 ¹⁴ г/см³ Т> 10 ¹² К. Важной особенностью этой стадии является сосуществование вещества (протонов и нейтронов) с антивеществом (антинейтронам и др.). Причем количество частиц в единице объема было того же порядка что и фотонов. Основной вклад в гравитацию вносили тяжелые частицы —В адроны. Они аннигилируют с античастицами, остается лишь небольшо избыток нуклонов, который в дальнейшем и определяет свойства нашег мира, т. е. значения его фундаментальных мировых постоянных. Само начало (т.е. сингулярность) пока недоступно исследованию, так как пр этом все главные параметры Вселенной (плотность, температура и т. п.)В обращаются в бесконечность.

Далее (до? = 10 с) шла «лептонная эра», на протяжении которой температура снижалась с 10¹² К до 5* 10⁹ К. С уменьшением температуры более эффективными становятся процессы соединения протонов с нейтронам с образованием дейтерия ²Н, трития ³Н и изотопов ³Не и ⁴Не. Именн в это время и образуется основная часть гелия, содержащегося в звезда и галактиках. На долю гелия приходится около 30%, на долю водородаоколо 70%, а на долю остальных химических элементов — менее 1% масс вещества. За счет термоядерных реакций в Галактике может образоватьс около 2% гелия по массе. Поэтому основная масса гелия должна был присутствовать в Галактике изначально. По теории «горячей» Вселенно за первые 100 с образовалось 25% Не и 75% Н, что подтверждает и современный химический состав Метагалактики.

«Эра излучения» продолжалась от 10 с до 10¹³ с, или 1 млн лет. При этом температура находилась в диапазоне 300 К < Г < 10¹⁰ К, а плотность —В 10 ²¹ < р < 10⁴ г/см³. Основной вклад в гравитационную массу Вселенно вносило излучение. В начале эры закончился синтез гелия и продолжалис процессы аннигиляции электронов с позитронами. Все это время температура излучения оставалась одинаковой с температурой вещества. Но ка только температура уменьшилась до величины Т = 3000 К, энергии фотонов было уже недостаточно для ионизации атомов водорода. Поэтому процессы рекомбинации электронов с протонами не уравновешиваются обратными процессами ионизации и происходит «отрыв» излучения от вещества С этого момента главную роль в расширении Вселенной начинает играт не излучение, а вещество.

«Эра вещества» начинается с момента рекомбинации и продолжается до сих пор. На ее определенном этапе и начинаются процессы формирования галактик и звезд.

В заключение можно констатировать, что гипотеза горячего взрыва позволяет удовлетворительным образом интерпретировать все пять рассмотренных выше экспериментальных фактов. Именно поэтому современные представления о возникновении нашей Метагалактики основан на изложении нами модели, хотя многие вопросы все еще остаются открытыми.