Происхождение Вселенной
Происхождение Вселенной
Вопрос о происхождении Вселенной со всеми ее известными и пока неизвестными качествами сызвека тревожит человека. Но исключительно в XX веке, после обнаружения космологического расширения, вопрос об эволюции Вселенной стал понемногу проясняться. Последние научные данные позволили прийти к выводу, что наша Вселенная родилась 15 млрд годов назад в итоге Огромного взрыва. Но что конкретно взорвалось тогда и что, фактически, было до Огромного взрыва, как и раньше оставалось загадкой. Сделанная в конце XX века инфляционная теория возникновения нашего мира позволила значительно продвинуться в разрешении этих вопросов, и общая картина первых мгновений Вселенной сейчас уже хорошо прорисована, хотя многие трудности еще ожидают собственного часа.
До начала прошедшего века было всего два взора на происхождение нашей Вселенной. Ученые считали, что она вечна и неизменна, а богословы гласили, что Мир создан и у него будет конец. Двадцатый век, разрушив очень почти все из того, что было сотворено в прошлые тысячелетия, смог дать свои ответы на большая часть вопросов, занимавших разумы ученых прошедшего. И может быть, одним из величайших достижений ушедшего века является прояснение вопроса о том, как появилась Вселенная, в какой мы живем, и какие есть догадки по поводу ее грядущего.
Обычный астрономический факт — расширение нашей Вселенной — привел к полному пересмотру всех космогонических концепций и разработке новейшей физики — физики возникающих и исчезающих миров. Всего 70 годов назад Эдвин Хаббл нашел, что свет от более дальних галактик «краснее» света от более близких. При этом скорость разбегания оказалась пропорциональна расстоянию от Земли (закон расширения Хаббла). Найти это удалось благодаря эффекту Доплера (зависимости длины волны света от скорости источника света). Так как более дальние галактики кажутся более «красными», то представили, что и удаляются они с большей скоростью. Кстати, разбегаются не звезды и даже не отдельные галактики, а скопления галактик. Наиблежайшие от нас звезды и галактики связаны вместе гравитационными силами и образуют устойчивые структуры. При этом в каком направлении ни взгляни, скопления галактик разбегаются от Земли с схожей скоростью, и может показаться, что наша Галактика является центром Вселенной, но это не так. Где бы ни находился наблюдающий, он будет всюду созидать все ту же картину — все галактики разбегаются от него.
Но таковой разлет вещества должен иметь начало. Означает, все галактики должны были родиться в одной точке. Расчеты демонстрируют, что вышло это приблизительно 15 миллиардов. годов назад. В момент такового взрыва температура была очень большой, и должно было показаться сильно много квантов света. Естественно, с течением времени все остывает, а кванты разлетаются по возникающему месту, но отзвуки Огромного взрыва должны были сохраниться до наших дней.
1-ое доказательство факта взрыва пришло в 1964 году, когда южноамериканские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас нашли реликтовое электрическое излучение с температурой около 3° по шкале Кельвина (–270°С). Конкретно это открытие, внезапное для ученых, уверило их в том, что Большой взрыв вправду имел место и сначала Вселенная была очень жаркой.
Теория Огромного взрыва позволила разъяснить огромное количество заморочек, стоявших перед космологией. Но, к огорчению, а может, и к счастью, она же поставила и ряд новых вопросов. А именно: Что было до Огромного взрыва? Почему наше место имеет нулевую кривизну и верна геометрия Евклида, которую изучают в школе? Если теория Огромного взрыва справедлива, то отчего сегодняшние размеры нашей Вселенной еще больше предсказываемого теорией 1 сантиметра? Почему Вселенная на удивление однородна, в то время как при любом взрыве вещество разлетается в различные стороны очень неравномерно? Что привело к исходному нагреву Вселенной до немыслимой температуры более 1013 К?
Все это указывало на то, что теория Огромного взрыва неполна. Длительное время казалось, что продвинуться дальше уже нереально. Только четверть века вспять благодаря работам русских физиков Э. Глинера и А. Старобинского, также янки А. Гуса было описано новое явление — сверх-быстрое инфляционное расширение Вселенной. Описание этого явления основывается на отлично изученных разделах теоретической физики — общей теории относительности Эйнштейна и квантовой теории поля. Сейчас считается принятым, что конкретно таковой период, получивший заглавие «инфляция», предшествовал Большенному взрыву.
При попытке дать представление о сути исходного периода жизни Вселенной приходится оперировать такими сверхмалыми и сверхбольшими числами, что наше воображение с трудом их принимает. Попробуем пользоваться некоей аналогией, чтоб осознать сущность процесса инфляции.
Представим для себя покрытый снегом горный склон, в который инкрустированы разнородные маленькие предметы — камни, ветки и куски льда. Кто-то, находящийся на верхушке этого склона, сделал маленький снежок и пустил его катиться с горы. Двигаясь вниз, снежок возрастает в размерах, потому что на него налипают новые слои снега со всеми включениями. И чем больше размер снежка, тем резвее он будет возрастать. Очень скоро из малеханького снежка он перевоплотится в большой ком. Если склон завершается пропастью, то он полетит в нее со все более увеличивающейся скоростью. Достигнув дна, ком ударится о дно пропасти и его составные части разлетятся во все стороны (кстати, часть кинетической энергии кома при всем этом пойдет на нагрев среды и разлетающегося снега). Сейчас опишем главные положения теории, используя приведенную аналогию. Сначала физикам пришлось ввести гипотетичное поле, которое было названо «инфлатонным» (от слова «инфляция»). Это поле заполняло собой все место (в нашем случае — снег на склоне). Благодаря случайным колебаниям оно воспринимало различные значения в случайных пространственных областях и в разные моменты времени. Ничего существенного не происходило, пока случаем не образовалась однородная конфигурация этого поля размером более 10-33 см. Что все-таки касается наблюдаемой нами Вселенной, то она в 1-ые мгновения собственной жизни, по-видимому, имела размер 10-27 см. Подразумевается, что на таких масштабах уже справедливы главные законы физики, известные нам сейчас, потому можно предсказать предстоящее поведение системы. Оказывается, что сходу после чего пространственная область, занятая флуктуацией (от лат. fluctuatio — «колебание», случайные отличия наблюдаемых физических величин от их средних значений), начинает очень стремительно возрастать в размерах, а инфлатонное поле стремится занять положение, в каком его энергия мала (снежный ком покатился). Такое расширение длится всего 10-35 секунды, но сих пор оказывается довольно для того, чтоб поперечник Вселенной возрос как минимум в 1027 раз и к окончанию инфляционного периода наша Вселенная заполучила размер приблизительно 1 см. Инфляция завершается, когда инфлатонное поле добивается минимума энергии — далее падать некуда. При всем этом накопившаяся кинетическая энергия перебегает в энергию рождающихся и разлетающихся частиц, по другому говоря, происходит нагрев Вселенной. Как раз этот момент и именуется сейчас Огромным взрывом.
Гора, о которой говорилось выше,может иметь очень непростой рельеф—несколько различных минимумов, равнины понизу и всякие бугры и кочки. Снежные комья (будущие вселенные) безпрерывно появляются наверху горы за счет флуктуаций поля. Каждый ком может скатиться в хоть какой из минимумов, породив при всем этом свою вселенную со специфичными параметрами. При этом вселенные могут значительно отличаться друг от друга. Характеристики нашей Вселенной удивительнейшим образом адаптированы к тому, чтоб в ней появилась разумная жизнь. Другим вселенным, может быть, подфартило меньше.
Снова хотелось бы выделить, что описанный процесс рождения Вселенной «практически из ничего» опирается на строго научные расчеты. Все же у всякого человека, в первый раз знакомящегося с инфляционным механизмом, описанным выше, появляется много вопросов.
Сейчас наша Вселенная состоит из огромного числа звезд, не говоря уж о сокрытой массе. И может показаться, что полная энергия и масса Вселенной громадны. И совсем неясно, как это все могло поместиться в начальном объеме 10-99 см3. Но во Вселенной существует не только лишь материя, да и гравитационное поле. Понятно, что энергия последнего отрицательна и, как оказывается, в нашей Вселенной энергия гравитации в точности компенсирует энергию, заключенную в частичках, планетках, звездах и иных мощных объектах. Таким макаром, закон сохранения энергии отлично производится, и суммарная энергия и масса нашей Вселенной фактически равны нулю. Конкретно это событие частично разъясняет, почему зарождающаяся Вселенная здесь же после возникновения не перевоплотился в гигантскую черную дыру. Ее суммарная масса была совсем микроскопична, и сначала просто нечему было коллапсировать. И лишь на более поздних стадиях развития появились локальные сгустки материи, способные создавать поблизости себя такие гравитационные поля, из которых не может вырваться даже свет. Соответственно, и частиц, из которых «сделаны» звезды, на исходной стадии развития просто не было. Простые частички начали рождаться в тот период развития Вселенной, когда инфлатонное поле достигнуло минимума возможной энергии и начался Большой взрыв.
Область, занятая инфлатонным полем, разрасталась со скоростью, значительно большей скорости света, но это нисколечко не противоречит теории относительности Эйнштейна. Резвее света не могут двигаться только вещественные тела, а в этом случае двигалась воображаемая, нематериальная граница той области, где рождалась Вселенная (примером сверхсветового движения является перемещение светового пятна по поверхности Луны при резвом вращении освещающего ее лазера).
При этом окружающая среда совершенно не сопротивлялась расширению области места, окутанного все более стремительно разрастающимся инфлатонным полем, так как ее вроде бы не существует для возникающего Мира. Общая теория относительности утверждает, что физическая картина, которую лицезреет наблюдающий, находится в зависимости от того, где он находится и как движется. Итак вот, описанная выше картина справедлива для «наблюдателя», находящегося снутри этой области. При этом этот наблюдающий никогда не выяснит, что происходит вне той области места, где он находится. Другой «наблюдатель», смотрящий на эту область снаружи, никакого расширения совсем не увидит. В наилучшем случае он увидит только маленькую искорку, которая по его часам пропадет практически одномоментно. Даже самое утонченное воображение отрешается принимать такую картину. И все-же она, по-видимому, верна. По последней мере, так считают современные ученые, черпая уверенность в уже открытых законах Природы, корректность которых неоднократно испытана.
Нужно сказать, что это инфлатонное поле и на данный момент продолжает существовать и флуктуировать. Но только мы, внутренние наблюдатели, не в состоянии этого узреть — ведь для нас малая область перевоплотился в колоссальную Вселенную, границ которой не может добиться даже свет.
Итак, сходу после окончания инфляции гипотетичный внутренний наблюдающий увидел бы Вселенную, заполненную энергией в виде вещественных частиц и фотонов. Если всю энергию, которую мог бы измерить внутренний наблюдающий, перевести в массу частиц, то мы получим приблизительно 1080 кг. Расстояния меж частичками стремительно растут из-за всеобщего расширения. Гравитационные силы притяжения меж частичками уменьшают их скорость, потому расширение Вселенной после окончания инфляционного периода равномерно замедляется.
Эти небезопасные античастицы
Сходу после рождения Вселенная продолжала расти и охлаждаться. При всем этом остывание происходило в том числе и благодаря очевидному расширению места. Электрическое излучение характеризуется длиной волны, которую можно связать с температурой — чем больше средняя длина волны излучения, тем меньше температура. Но если место расширяется, то будут возрастать и расстояние меж 2-мя «горбами» волны, и, как следует, ее длина. Означает, в расширяющемся пространстве и температура излучения должна уменьшаться. Что и подтверждает очень низкая температура современного реликтового излучения.
По мере расширения изменяется и состав материи, наполняющей наш мир. Кварки соединяются воединыжды в протоны и нейтроны, и Вселенная оказывается заполненной уже знакомыми нам простыми частичками — протонами, нейтронами, электронами, нейтрино и фотонами. Находятся также и античастицы. Характеристики частиц и античастиц фактически схожи. Казалось бы, и количество их должно быть схожим сходу после инфляции. Но тогда все частички и античастицы взаимно уничтожились бы и строительного материала для галактик и нас самих не осталось бы. И тут нам снова подфартило. Природа позаботилась о том, чтоб частиц было малость больше, чем античастиц. Конкретно благодаря этой маленький разнице и существует наш мир. А реликтовое излучение — это как раз последствие аннигиляции (другими словами взаимоуничтожения) частиц и античастиц. Естественно, на исходном шаге энергия излучения была очень велика, но благодаря расширению места и как следствие — остыванию излучения эта энергия стремительно убывала. На данный момент энергия реликтового излучения приблизительно в 10 тыщ раз (104 раз) меньше энергии, заключенной в мощных простых частичках.
Равномерно температура Вселенной свалилась до 1010 К. К этому моменту возраст Вселенной составлял приблизительно 1 минутку. Только сейчас протоны и нейтроны смогли объединяться в ядра дейтерия, трития и гелия. Это происходило благодаря ядерным реакциям, которые люди уже отлично исследовали, взрывая термоядерные бомбы и эксплуатируя атомные реакторы на Земле. Потому можно уверенно предвещать, сколько и каких частей может показаться в таком ядерном котле. Оказалось, что наблюдаемое на данный момент богатство легких частей отлично согласуется с расчетами. Это значит, что известные нам физические законы схожи во всей наблюдаемой части Вселенной и были такими уже в 1-ые секунды после возникновения нашего мира. При этом около 98% имеющегося в природе гелия образовалось конкретно в 1-ые секунды после Огромного взрыва.
Зарождение галактик
Сходу после рождения Вселенная проходила инфляционный период развития — все расстояния быстро увеличивались (исходя из убеждений внутреннего наблюдающего). Но плотность энергии в различных точках места не может быть в точности схожей — какие-то неоднородности всегда находятся. Представим, что в некий области энергия малость больше, чем в примыкающих. Но раз все размеры стремительно вырастают, то и размер этой области тоже должен расти. После окончания инфляционного периода эта разросшаяся область будет иметь чуток больше частиц, чем окружающее ее место, ну и ее температура будет малость выше.
Осознав неизбежность появления таких областей, сторонники инфляционной теории обратились к экспериментаторам: «необходимо найти флуктуации температуры…» — констатировали они. И в 1992 году это пожелание было выполнено. Фактически сразу русский спутник «Реликт-1» и южноамериканский «COBE» нашли требуемые флуктуации температуры реликтового излучения. Как уже говорилось, современная Вселенная имеет температуру 2,7 К, а отысканные учеными отличия температуры от среднего составляли приблизительно 0,00003 К. Логично, что такие отличия тяжело было найти ранее. Так инфляционная теория получила очередное доказательство.
С открытием колебаний температуры появилась еще одна захватывающая возможность — разъяснить принцип формирования галактики. Ведь чтоб гравитационные силы сжимали материю, нужен начальный эмбрион — область с завышенной плотностью. Если материя распределена в пространстве умеренно, то гравитация, подобно Буриданову ишаку, не знает, в каком направлении ей действовать. Но как раз области с излишком энергии и порождает инфляция. Сейчас гравитационные силы знают, на что повлиять, а конкретно, на более плотные области, сделанные во время инфляционного периода. Под действием гравитации эти вначале немножко более плотные области будут сжиматься и конкретно из их в дальнейшем образуются звезды и галактики.
Счастливое истинное
Современный нам момент эволюции Вселенной очень успешно адаптирован для жизни, и продолжаться он будет еще много млрд лет. Звезды будут рождаться и дохнуть, галактики крутиться и сталкиваться, а скопления галактик — улетать все далее друг от друга. Потому времени для самосовершенствования у населения земли предостаточно. Правда, само понятие «сейчас» для таковой большой Вселенной, как наша, плохо определено. Так, к примеру, наблюдаемая астрологами жизнь квазаров, удаленных от Земли на 10—14 миллиардов. световых лет, отстоит от нашего «сейчас» как раз на те же 10—14 миллиардов. лет.
И чем далее в глубь Вселенной мы заглядываем при помощи разных телескопов, тем паче ранешний период ее развития мы смотрим.
Сейчас ученые в состоянии разъяснить большая часть параметров нашей Вселенной, начиная с момента в 10-42 секунды и по сей день и даже дальше. Они могут также проследить образование галактик и достаточно уверенно предсказать будущее Вселенной. Все же ряд «мелких» непонятностей еще остается. Это сначала — суть сокрытой массы (черной материи) и черной энергии. Не считая того, существует много моделей, объясняющих, почему наша Вселенная содержит еще больше частиц, чем античастиц, и хотелось бы обусловиться в конце концов с выбором одной правильной модели.
Как учит нас история науки, обычно конкретно «мелкие недоделки» и открывают последующие пути развития, так что будущим поколениям ученых наверное будет чем заняться. Не считая того, более глубочайшие вопросы тоже уже стоят на повестке денька физиков и математиков. Почему наше место трехмерно? Почему все константы в природе как будто «подогнаны» так, чтоб появилась разумная жизнь? И что все-таки такое гравитация? Ученые уже пробуют ответить и на эти вопросы.
Ну и естественно, оставим место для неожиданностей. Не нужно забывать, что такие основополагающие открытия, как расширение Вселенной, наличие реликтовых фотонов и энергия вакуума, были изготовлены, можно сказать, случаем и не ожидались ученым обществом.
Энергия вакуума — происхождение и последствия
Что все-таки ожидает нашу Вселенную в предстоящем? Еще пару лет вспять у теоретиков в этой связи имелись всего две способности. Если плотность энергии во Вселенной мала, то она будет вечно расширяться и равномерно остывать. Если же плотность энергии больше некого критичного значения, то стадия расширения сменится стадией сжатия. Вселенная будет сжиматься в размерах и греться. Означает, одним из главных характеристик, определяющим развитие Вселенной, является средняя плотность энергии. Итак вот, астрофизические наблюдения, проводимые до 1998 года, гласили о том, что плотность энергии составляет приблизительно 30% от критичного значения. А инфляционные модели предвещали, что плотность энергии должна быть равна критичной. Апологетов инфляционной теории это не очень смущало. Они отмахивались от оппонентов и гласили, что недостающие 70% «как-нибудь найдутся». И они вправду нашлись. Это большая победа теории инфляции, хотя отысканная энергия оказалась таковой необычной, что вызвала больше вопросов, чем ответов.
Похоже, что разыскиваемая черная энергия — это энергия самого вакуума
В представлении людей, не связанных с физикой, вакуум — «это когда ничего нет» — ни вещества, ни частиц, ни полей. Но это не совершенно так. Стандартное определение вакуума — это состояние, в каком отсутствуют частички. Так как энергия заключена конкретно в частичках, то, как резонно считали чуть ли не все, включая и ученых, нет частиц — нет и энергии. Означает, энергия вакуума равна нулю. Вся эта благостная картина упала в 1998 году, когда астрономические наблюдения проявили, что разбегание галактик чуть-чуть отклоняется от закона Хаббла. Вызванный этими наблюдениями у космологов шок продолжался недолго. Очень стремительно стали публиковаться статьи с разъяснением этого факта. Самым обычным и естественным из их оказалась мысль о существовании положительной энергии вакуума. Ведь вакуум, в конце концов, значит просто отсутствие частиц, но почему только частички могут владеть энергией? Обнаруженная черная энергия оказалась распределенной в пространстве на удивление однородно. Схожую однородность тяжело выполнить, ведь если б эта энергия была заключена в каких-либо неизвестных частичках, гравитационное взаимодействие принуждало бы их собраться в превосходные конгломераты, подобные галактикам. Потому энергия, спрятанная в пространстве-вакууме, очень роскошно разъясняет устроение нашего мира.
Но вероятны и другие, более экзотичные, варианты мироустроения. К примеру, модель Квинтэссенции, элементы которой были предложены русским физиком А.Д. Долговым в 1985 году, подразумевает, что мы все еще скатываемся с той горки, о которой говорилось сначала нашего повествования. При этом катимся мы уже очень длительно, и конца этому процессу не видно. Необыкновенное заглавие, позаимствованное у Аристотеля, обозначает некоторую «новую сущность», призванную разъяснить, почему мир устроен так, а не по другому.
Сейчас вариантов ответа на вопрос о будущем нашей Вселенной стало существенно больше. И они значительно зависят от того, какая теория, объясняющая сокрытую энергию, является правильной. Представим, что правильно простейшее разъяснение, при котором энергия вакуума положительна и не изменяется с течением времени. В данном случае Вселенная уже никогда не сожмется и нам не угрожает перегрев и Большой хлопок. Но за все не плохое приходится платить. В данном случае, как демонстрируют расчеты, мы в дальнейшем никогда не сможем добиться всех звезд. Более того, количество галактик, видимых с Земли, будет уменьшаться, и через 10—20 миллиардов. лет в распоряжении населения земли остается всего несколько примыкающих галактик, включая нашу — Млечный Путь, также соседнюю Андромеду. Население земли уже не сумеет возрастать количественно, тогда и придется заняться собственной высококачественной составляющей. В утешение можно сказать, что несколько сотен млрд звезд, которые будут нам доступны в настолько отдаленном будущем, — это тоже много.
Вобщем, пригодятся ли нам звезды? 20 млрд лет — большой срок. Ведь всего за несколько сот миллионов лет жизнь развилась от трилобитов до современного человека. Так что наши дальние потомки, может быть, будут по внешнему облику и способностям отличаться от нас еще более, чем мы от трилобитов. Что все-таки сулит им еще больше отдаленное будущее, по прогнозам современных ученых? Ясно, что звезды будут тем либо другим методом «умирать», но будут создаваться и новые. Этот процесс тоже не нескончаем — приблизительно через 1014 лет, по предположению ученых, во Вселенной останутся только слабосветящиеся объекты — белоснежные и черные лилипуты, нейтронные звезды и темные дыры. Практически они все также погибнут через 10 37 лет, исчерпав все припасы собственной энергии. К этому моменту останутся только темные дыры, поглотившие всю остальную материю. Что может повредить черную дыру? Любые наши пробы сделать это только наращивают ее массу. Но «ничто не вечно под Луной». Оказывается, темные дыры медлительно, но источают частички. Означает, их масса равномерно миниатюризируется. Все темные дыры тоже должны пропасть приблизительно через 10100 лет. После чего останутся только простые частички, расстояние меж которыми будет намного превосходить размеры современной Вселенной (приблизительно в 1090 раз) — ведь все это время Вселенная расширялась! Ну и, естественно, остается энергия вакуума, которая будет полностью доминировать во Вселенной.
Кстати, характеристики такового места в первый раз исследовал В. де Ситтер еще в 1922 году. Так что нашим потомкам предстоит или поменять физические законы Вселенной, или перебраться в другие вселенные. На данный момент это кажется неописуемым, но охото веровать в могущество населения земли, вроде бы оно, население земли, ни смотрелось в настолько отдаленном будущем. Так как времени у него предостаточно. Кстати, может быть, что уже и на данный момент мы, сами того не ведая, создаем новые вселенные. Для того чтоб в очень малеханькой области появилась новенькая вселенная, нужно инициировать инфляционный процесс, который вероятен только при больших плотностях энергий. А ведь экспериментаторы уже издавна делают такие области, сталкивая частички на ускорителях… И хотя эти энергии еще очень далеки от инфляционных, возможность сотворения вселенной на ускорителе уже не равна нулю. К огорчению, мы являемся тем «удаленным наблюдателем», для которого время жизни этой «рукотворной» вселенной очень не достаточно, и внедриться в нее и поглядеть, что там происходит, мы не можем…
Вероятные сценарии развития нашего мира
1. Пульсирующая модель Вселенной, при которой прямо за периодом расширения наступает период сжатия и все завершается Огромным хлопком
2. Вселенная со строго подогнанной средней плотностью, в точности равной критичной. В данном случае наш мир Евклидов, и его расширение всегда замедляется
3. Умеренно расширяющаяся по инерции Вселенная. Конкретно в пользу таковой открытой модели мира до ближайшего времени свидетельствовали данные о подсчете средней плотности нашей Вселенной
4. Мир, расширяющийся со все нарастающей скоростью. Новые экспериментальные данные и теоретические изыскания молвят о том, что Вселенная разлетается все резвее, и невзирая на евклидовость нашего мира, большая часть галактик в дальнейшем будет нам недосягаема. И повинна в настолько необычном устроении мира та черная энергия, которую сейчас связали с некоей внутренней энергией вакуума, заполняющего все место
Сергей Рубин, доктор физико-математических наук, источник — www.vokrugsveta.ru/publishing/vs/archives/?item_id=310