Начальное состояние Вселенной

Первоначальная плотность сингулярного состояния вещества Вселенной составляла 1093 г/см3, а ее первоначальный размер — 10~33 см.

Большого взрыва.

В результате Большого взрыва 13,7 млрд лет тому назад образовалась не только материя, но и само пространство-время. Выделяют планковский момент — время 10~43 с после Большого взрыва, до которого существовала суперсимметрия — объединение всех физических взаимодействий. После него отделяется гравитационное взаимодействие, через 10 36 с разделяются сильное и электрослабое взаимодействия, а еще через 10 10 с электрослабое объединение разделяется на электромагнитное и слабое взаимодействия, и начинается эра адронов.

Эра адронов (рождение и аннигиляция адронов и лептонов).

Ее продолжительность — 10 10—10 4 с, температура — 1015—1012 °К, плотность — 1014 г/см3. В условиях сверхвысоких температур энергии у-кваптов (фотонов) хватало на порождение пар: частица — античастица. Существовали нуклоны, мюоны, электроны и нейтрино различных типов, а также античастицы. В термодинамическом равновесии с веществом находилось электромагнитное излучение — фотоны. В силу огромной плотности вещества Вселенная была непрозрачна для фотонов.

Существовала симметрия между веществом и излучением, обусловленная их взаимопревращением, а также симметрия между веществом и антивеществом. В дальнейшем вещественный мир некоторым, пока неизвестным способом, оказался изолированным от антивещсственного. Если бы этого не произошло, все вещество превратилось бы в излучение.

В конце эры аннигилируют нуклоны и антинуклоны. Нуклонов было на одну миллиардную часть больше, и они составили необходимый материал для ядер будущих атомов.

Эра лептонов (рождение и аннигиляция лептонов). Ее продолжительность — 10 с, температура — 10¹⁰ °К, плотность — 10⁴ г/см³. Лептоны аннигилировали в парах «частица-античастица»: мюон-антимюон, электронпозитрон, при этом происходило образование нейтрино. Взаимодействие фотонов приводило к образованию пары электрон-позитрон, которая, в свою очередь, превращалась в фотоны: е~ + е+ <�гЭ 2у.

После аннигиляции тяжелых частиц их энергия перешла к более легким частицам. Энергия, освобождавшаяся после аннигиляции легких частиц, повышала температуру излучения. В конце эры за счет слияния протонов и нейтронов формируются ядра гелия. При падении температуры до 10¹⁰ °К падает и энергия фотонов, которой становится недостаточно для образования пары «электрон-позитрон».

Фотонная эра (эра радиации) — преобладание излучения над веществом. Продолжительность — 10 с — 10⁴ лет. Фотоны составляют основную долю массы-энергии Вселенной. К концу эры температура надает с 10¹⁰

до 3000 °К, плотность — с 10⁴ г/см³ до 10^-21 г/см³. Лептоны за счет аннигиляции превращались в излучение: лептоны + антилептоны —> у-кванты. Вселенная практически полностью состоит из фотонов и нейтрино, а плотность фотонов на много порядков превосходит плотность частиц, обладавших массой.

Примерно через 10 тыс. лет после Большого взрыва суммарная энергия вещества начинает превосходить суммарную энергию излучения. На смену радиационной эре приходит эра вещества. При температуре 3000 °К протоны и электроны объединяются в атомы водорода. На место плазмы приходят нейтральные атомы, прекращается взаимодействие излучения и вещества. Одно из первых следствий такого прекращения — образование звезд.

Вселенная становится прозрачной для излучения. Примерно через 300 тыс. лет после Большого взрыва возникает микроволновое излучение, которое ныне называют реликтовым. Поскольку плотность вещества снижается до 10 ²⁰ г/см³, постольку фотоны реликтового излучения свободно двигаются в расширяющейся Вселенной.

Примерно через 1 мин после Большого взрыва Вселенная остыла настолько, что при столкновении протона и нейтрона стали образовываться ядра дейтерия, а при соударении двух ядер дейтерия — ядра гелия. Примерно за 3 ч до 25% вещества Вселенной за счет дозвездного синтеза превратилось в гелий.

Звездная эра длится до сих пор. Вследствие разделения вещества и излучения образовались неоднородности в распределении вещества, что привело к образованию галактик и сверхгалактик. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик. Вещество, из которого зарождались первые звезды, состояло в основном из водорода (75%) и гелия (25%). Затем начинается формирование структуры Метагалактики, и этот этап развития Вселенной продолжается и в настоящее время (рис. 9.4).

Более подробная характеристика этапов развития Вселенной (особенно предшествующих эре адронов) приведены в табл. 9.1.

Американский физик А. Гут в 1981 г. выдвинул инфляционную модель Вселенной, которая раскрывала состояние Вселенной до взрыва. Ее развивали российские астрофизики А. Старобинский, А. Линде, В. Муханов и другие. Согласно этой модели Вселенная возникла из первоначального вакуума, который обладал огромной энергией, но находился в неустойчивом (возбужденном, или ложном) состоянии. В этом вакууме господствовали космические силы отталкивания, которые «раздували» занимаемое им пространство, а выделившаяся при этом энергия быстро нагревала Вселенную.

Огромное повышение температуры и давления в процессе быстрого расширения возбужденного вакуума привело к взрыву сверхгорячей материи. После взрыва резко понижаются температура и давление, и в дальнейшем расширение Вселенной происходило по сценарию стандартной модели. Время, отведенное этой эпохе, составляет от 10 ³⁵ до 10^-32 с^[1].

Наибольшая трудность возникает при объяснении причин эволюции Вселенной. Выделяются две группы концепций: самоорганизация и креационизм.

Догалактические этапы эволюции Вселенной.

Таблица 9.1

Источник: Ишханов Б. С., Капитонов И. М., Тутынь И. Л. Нуклеосинтез во Вселенной. М.: Изд-во МГУ, 1998. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/nuclsynt/nl3.htm (дата обращения: 26.11.2015).

Рис. 9.4. Этапы эволюции Вселенной^1.

Концепция самоорганизации считает материальную Вселенную единственной реальностью. Эволюция Вселенной рассматривается как процесс самоорганизации, т. е. самопроизвольного становления все более сложных структур. Порядок порождается динамичным хаосом, а вопрос о цели космической эволюции не ставится, поскольку не имеет смысла.

Концепция креационизма (творения) связывает эволюцию Вселенной с реализацией программы, которая была сформулирована «реальностью более высокого порядка»^[2][3], чем материальный мир (в конечном итоге — Богом). Сторонники креационизма в качестве одного из аргументов привлекают антропный принцип.

Антропный принцип (АП) фиксирует тот факт, что конкретное существование «нашей» Вселенной определяется численными значениями фундаментальных физических констант. В их числе: постоянная Планка, гравитационная постоянная, константы взаимодействия и т. д. Изменение этих констант на ничтожно малую величину принципиально изменило бы формы и способы существования Вселенной, а это сделало бы невозможным ее существование как сложной упорядоченной структуры. Первыми идею принципа высказали советские исследователи: физик А. Л. Зельманов (1913—1987) в 1955 г. и историк науки Г. М. Идлис (1928—2010) в 1957 г., Б. Картер (р. 1942) в 1973 г. сформулировал сильный и слабый варианты АП. В монографии Дж. Д. Барроу и Ф. Дж. Типлера «Антропный космологический принцип» (1986) признан приоритет Г. М. Идлиса.

Разновидности АП:

• • слабый: во Вселенной могут встречаться разные значения мировых констант, но их значения, резко отличные от известных, не наблюдаются потому, что там, где они есть, не может быть человека-наблюдателя;
• • сильный: Вселенная должна иметь свойства, позволяющие развиться разумной жизни. Его вариант — Антропный принцип участия (АПУ), сформулированный в 1983 г. Дж. Уилером: наблюдатели необходимы для обретения Вселенной бытия.

Очевидно существенное различие этих формулировок:

• • сильный АП относится к Вселенной на всех этапах ее эволюции;
• • слабый АП касается только тех ее регионов и тех периодов, когда в ней теоретически может появиться разумная жизнь.

Формулировка АП опирается на предположение, что наблюдаемые в наше время законы природы не являются единственными реально существующими (или существовавшими), что должны быть реальны Вселенные с иными законами.

Согласно сильному АП Вселенная планировалась и развивалась с изначальным учетом того, что в ней появится жизнь и ее венец — человек. Отсюда рядом исследователей делается вывод: физическая структура Вселенной запрограммирована, а конечная цель космической эволюции якобы заключается в появлении человека во Вселенной в соответствии с замыслами Творца.

С сожалением приходится отметить, что в некоторых современных учебниках идея креационизма рассматривается в рамках концепций естествознания^[4]. Однако эта идея связана с миром сверхъестественного и поэтому выходит за рамки естествознания, изучающего естественные законы мира. К тому же антропный принцип поясняет, почему появление человека стало возможным, но ни в коей мере не может служить доказательством запрограммированности такого появления.

• [1] Иногда эту теорию характеризуют как попытку объяснить «рождение Вселеннойиз ничего». См.: Концепции современного естествознания / под ред. В. II. Лавриненко, В. П. Ратиикова. 2-е изд. С. 124.
• [2] Наука. Величайшие теории. Вып. 42. Расширяющееся знание. Гамов. Большой взрыв: пер. с исп. М.: Де Агостини, 2015. С. 103. Па рис. обозначен WMAP (Wilkinson MicrowaveAnisotropy Probe) — космический аппарат НАСА (работал с октября 2001 по 2009 г.)для изучения реликтового излучения; с его помощью составлена радиокарта неба на длинахволн от 1,4 см до 3 мм.
• [3] Концепции современного естествознания / под ред. В. II. Лавриненко, В. П. Ратникова.2-е изд. С. 125.
• [4] См., например: Концепции современного естествознания / под ред. В. Н. Лавриненкои В. П. Ратникова. Между прочим, идея креационизма появилась лишь во втором изданииэтого учебника.