Читать книгу Вещи не то, чем кажутся. 100 фреймов УНИВЕРСУМА - Владимир Крамаренко, Владимир Юрьевич Крамаренко - Страница 17

Человечество на протяжении многих веков смотрело в ночное небо и задумывалось, откуда же взялся этот сияющий звёздный мир, и что будет с ним дальше? Как отмечал немецкий философ Иммануил Кант, две вещи поражают в этом мире: звёздное небо над головой и моральный закон внутри нас. Ему принадлежит гипотеза о происхождении Солнечной системы, а также предположение о существовании огромных звёздных островов, которые он назвал галактиками.

Тем не менее на протяжении трёх столетий после возникновения классической механики и работ Ньютона в области астрономии имелись весьма поверхностные представления о крупномасштабной структуре нашего мира. Даже в начале XX века многие были убеждены в том, что гигантская звёздная система нашей Галактики является уникальной и единственной в своём роде. Лишь в 1928 году, когда двухметровое зеркало американского телескопа разложила на звёзды ближайшую к нам «соседку», Туманность Андромеды, которая оказалась галактикой в полтора раза превышающей нашу, наступила новая эра [34].

Между тем мало кто сомневался, что вся наша Вселенная с её миллиардами галактик находится в статическом состоянии. Развитие науки XX века позволило рассматривать звёзды как огромные плазменные шары, в недрах которых протекают термоядерные реакции. Как оказалось, звёзды не вечны, была понята их эволюция, заканчивающаяся разными финальными состояниями этого процесса от белых карликов и нейтронных звёзд до чёрных дыр. Выяснилось, что абсолютно все атомы в нашей Вселенной синтезированы исключительно звёздами, причём тяжёлые элементы, находящиеся в периодической системе за железом, такие как платина, золото и другие, возникают во взрывных процессах, называемых вспышками сверхновых массивных звёзд, гораздо больших нашего Солнца. Идеи однородной, изотропной, бесконечной и существующей вечно Вселенной стали вступать в противоречие с наблюдательной астрономией, приводя к парадоксам.

Одним из них является фотометрический парадокс или, как его ещё называют, парадокс Ольберса. Вдали от Млечного Пути ночное небо выглядит поразительно тёмным. Но, если Вселенная бесконечна, соответствует евклидовой геометрии (кривизна пространства равна нулю) и существует вечно при достаточно равномерном распределении звёзд, то из любой точки пространства за бесконечное время должен прийти свет от далёких звёзд и заставить сиять небеса.

Другой парадокс связан с наличием радиоактивного вещества. Если Вселенная существует вечно, то всё радиоактивное вещество давно бы распалось. Между тем, общеизвестно, что это не так, и данный факт свидетельствует о вполне определённом времени существования нашей Вселенной.

Первоначально Альберт Эйнштейн находился в плену представлений о стационарности Вселенной. Фотометрический парадокс он разрешил, предположив, что пространство Вселенной замкнуто, т. е. обладает положительный кривизной, а, следовательно, имеет ограниченное количество звёзд. Вселенная, по его предположению, должна оказаться замкнутой трёхмерной сферой с определённым радиусом. В сферическом мире Эйнштейна насчитывалось бы 1000 млрд галактик, а кругосветное путешествие светового луча продолжалось бы 70 млрд лет. Легендарный физик построил статическую модель путём введения в неё сил гравитации, особой геометрии пространства с положительной кривизной, а также сил отталкивания. Эта модель позволила соотнести полученные результаты с данными наблюдательной астрономии. Радиус Вселенной оказался равным 10²⁸ сантиметра, а плотность составила 10^-29 г/см³.

Концепция стационарной Вселенной не предполагала эволюционного развития, более того, она была крайне неустойчивой, на что и обратил внимание А.А. Фридман. Интересно, что Эйнштейн признал работу Фридмана только после его соответствующих разъяснений. Эдвин Хаббл в 1929 году установил факт расширения пространства. А это означает, что когда-то вещество было сжато до немыслимо малых масштабов. Таким образом, была доказана глобальная эволюция Вселенной, но до триумфа этих представлений было ещё далеко.

Самое убедительное доказательство взрывного начала всего сущего было получено в 1965 году радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном в результате ряда измерений радиотелескопом радиошума, оставшегося от фазы горячей Вселенной на раннем этапе её развития. С этого времени идея взрывного начала, получившая название теории Большого взрыва, брала неизменно верх над всеми другими представлениями [35].

Тем не менее и она не была лишена недостатков, поскольку постулировала сингулярность, бесконечную плотность материи в начальный момент расширения и бесконечную температуру. И что очень важно, теория Большого взрыва не отвечала на вопрос, почему наше пространство трёхмерное. Наука не может работать с такими эмпирическими показателями, поэтому в конце XX века она была дополнена концепцией раздувающейся Вселенной, но для этого необходимо было обратиться к физике элементарных частиц, и, в частности, к теории Великого Объединения, описывающей единообразно гравитационные, слабые и сильные виды ядерных взаимодействий, а также электромагнитизм.

Откуда и почему произошёл Большой взрыв? Как из Ничто возникла огромная Вселенная во всём своём последующем многообразии? Для обыденного сознания такое не просто понять. Воспользуемся аналогией из нашего макромира. Откуда и почему рождается живописное полотно у художника? По сути краски, кисти и холст – это всего лишь инструменты для будущего творения. Необходимо определиться с выбором сюжета, формы, цветовой гаммы и т. д. Как возникают мысли в мозге? Несомненно, субстратом их продуцирующим, является нейронная сеть, но почему и как рождается конкретная идея? Иногда совершенно пустая, а порой гениальная. Люди как творчества, так науки чаще всего объясняют это озарением, прозрением, инсайтом, возникающим «из ничего».

В физике элементарных частиц возникновение Нечто из Ничто не является чем-то необычным. При крайне высоких значениях напряжённости электрического поля спонтанно, «из ничего», рождаются электроны и позитроны. Вблизи чёрных дыр из-за колоссальной гравитации вакуум постоянно испускает вновь рождённые элементарные частицы. Это излучение чёрных дыр было открыто знаменитым физиком Стивеном Хокингом. Поэтому само происхождение Большого взрыва не должно ассоциироваться с кроликом, появляющимся из шляпы, когда зрители в зале прекрасно понимают, что их обманывают. А вот вопрос, что же происходило дальше, является как раз краеугольным камнем в космологии.

В 80-х годах XX века А.Г. Гутом и П.Д. Стейнхардтом была разработана новая концепция, получившая название теории Раздувающейся Вселенной. Она позволила разрешить ряд проблем, присутствующих в концепции Большого взрыва, связанных с ранними фазами рождения Вселенной. Для этого были использованы достижения физики элементарных частиц, поскольку Вселенная являлась микрообъектом и подчинялась законам квантовой механики. К этому времени в физике была создана теория Великого объединения, единообразно описывающая электромагнитное, слабое и сильное ядерные взаимодействия. Также сформировались подходы к разработке теории Всего сущего, которая присоединила сюда ещё и гравитацию. Это было огромным достижением, так как природа, механизмы, силовые компоненты этих взаимодействий были совершенно различны. Если рассматривать физические взаимодействия частиц, то они характеризуются наличием базовых частиц, называемых фермионами, и частиц, которыми они обмениваются – бозонами. В электромагнитном взаимодействии фермионами являются электроны, а бозонами – фотоны. В слабом ядерном – обменными частицами выступают уже три бозона W+, W- и Z0. В сильном ядерном взаимодействии обменные частицы – это глюоны, их 8 типов, связывающих кварки, из которых состоят адроны, например, такие как протоны и нейтроны. За гравитационное взаимодействие ответственны гравитоны. Так вот, если за единицу принять сильное ядерное взаимодействие, то электромагнитное составит от него 1/137, слабое ядерное 10^-4, а гравитационное – 10^-34 [36].

Выяснилось, что при температуре 10¹⁵ градусов К (Кельвин, единица измерения температуры), слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия сливаются в единое целое и становятся неразличимыми. При температуре 10²⁷ К происходит так называемое Великое объединение, когда сливаются сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. И наконец при энергиях, соответствующих температуре 10³² Кельвина, к ним присоединяется гравитационное взаимодействие. Такие фазовые переходы оказали существеннейшее влияние на раннюю историю нашей Вселенной [37].

Другой важнейшей физической реальностью, с которой связано рождение нашего мира, является вакуум. Вакуум в квантовом мире кардинально отличается от вакуума в классической физике, где он представляется как пустота. В микромире вакуум – это не пустота. Дело в том, что из-за соотношения неопределённости энергии происходят её флюктуации, возникают и исчезают частицы, которые называют виртуальными. В настоящее время энергия вакуума крайне мала, но так было не всегда. Для лучшего понимания вакуум можно сравнить с агрегатными состояниями вещества, при изменении которых поглощается или выделяется энергия. 13,7 млрд лет назад и произошёл такой фазовый переход, в результате чего выделилось огромное количество энергии. За состояние вакуума отвечает поле Хиггса, скалярное поле, присутствующее в пространстве. В самые первые мгновения горячего Большого взрыва во Вселенной с её микроскопическим размером 10^-28 см температура превышала состояние «Великого объединения», составляя 10³² градусов Кельвина, а плотность могла достигать планковских величин (10⁹⁴ г/см³). При падении температуры до 10²⁷ Кельвина происходит «отщепление» гравитации, и это соответствует бифуркационной фазе. Остывая до температуры ниже 10²⁷ Кельвина, возникает фазовый переход, приводящий к нарушению симметрии физических взаимодействий. Однако он осуществляется медленнее по сравнению со скоростью остывания Вселенной. Возникает так называемое явление переохлаждения, что приводит к возникновению ложного вакуума. В отличие от истинного вакуума, плотность энергии ложного вакуума может быть очень велика. Согласно общей теории относительности, давление ложного вакуума оказывает влияние на гравитацию. Ложный вакуум, как особое состояние поля Хиггса, порождает эффект, связанный с отрицательным давлением, приводящий к гравитационному отталкиванию, что создаёт ускоренное расширение Вселенной, масштабы которой экспоненциально увеличиваются каждые 10^-34 секунды. Этот период быстрого расширения получил название инфляции. В результате сформировалась фаза с нарушенной симметрией. Поскольку в этих условиях состояние ложного вакуума неустойчиво, то это привело к переходу плотности энергии ложного вакуума в плотность массы обычной горячей материи, что вновь разогрело Вселенную до 10²⁷ градусов Кельвина. Далее Вселенная уже расширяется и охлаждается в соответствии с моделью Большого взрыва [38].

Теория инфляции объяснила отсутствие кривизны за счёт фазы быстрого расширения. Она также ввела на основе теории Великого объединения параметры температуры, плотности, временные характеристики и объяснила превалирование вещества над антивеществом. Так, распад бозонов Хиггса, приведшей к образованию обычных частиц материи и античастиц, оказался несимметричным. Эта теория в современных её модификациях создала условия для развития идей Мультивселенной, согласно которой наша Вселенная с её набором пространственных измерений является всего лишь одной из множества миров, где реализуются N пространственно-временные многообразия, поскольку в момент фазового перехода вакуума могло образоваться много областей пространства, претерпевших фазу инфляции.