Современная космология о начале Вселенной

С позиций современного космического эволюционизма возникновение и развитие нашей Вселенной выступает как результат дифференциации и усложнения форм организации материи. Своими истоками эти представления восходят к работам отечественного физика и математика А. А. Фридмана, который в 1922 году из решения уравнений общей теории относительности установил возможность существования расширяющейся Вселенной. В 1929 году американский астроном Э. Хаббл в ходе исследования спектра дальних галактик установил, что их спектральные линии смещены в сторону красных линий, что означает «разбегание» галактик. Последующие исследования показали, что галактики с большой скоростью удаляются не только от наблюдателя, но и друг от друга. Так, Э. Хаббл пришел к формулировке важного для космологии закона:

чем дальше галактики отстоят друг от друга, тем с большей скоростью они удаляются друг от друга.

Эти скорости исчисляются десятками тысяч километров в секунду. Так опытно был установлен факт расширения нашей Вселенной[3].

Из того вывода, что Вселенная в настоящее время находится в состоянии расширения логично при помощи математических моделей приходят к заключению, что когда-то, в далеком прошлом она должна была находиться в сжатом состоянии.

Расчеты показали, что 15-20 млрд. лет назад материя нашей Вселенной была сконцентрирована в необычайно малом объеме порядка планковских расстояний (около 10^{-33 см) с плотностью р = 1093} г/см³ при температуре Т = 10²⁷К. Утверждается, что наблюдаемая сейчас Вселенная возникла благодаря гигантскому взрыву этой исходной космической материи. Такова вкратце суть теории Большого горячего взрыва Вселенной [15, 17, 35].

Было бы преувеличением сказать, что эта теория исчерпывающе и корректно объясняет все данные наблюдательной астрономии, отмеченные выше. Можно сказать, что она находится с ними в отношении соответствия: одни факты она объясняет с меньшими затруднениями, другие – с большими. Но поскольку в основном она соответствует фактам, то это может рассматриваться как хорошее подтверждение данной теории. Поэтому концепция Большого взрыва Вселенной получила широкое признание и считается стандартной моделью.

И все же концепция Большого взрыва испытывала затруднения в объяснении ряда наблюдаемых фактов, например, чем определяется образование галактик при их возникновении из ионизированного газа, а также асимметрия вещества и антивещества. Вместо объяснения данная теория вынуждена задавать спектр начальных неоднородностей. Для решения таких трудностей велись поиски новых теорий. Этим задачам отвечает «теория инфляции», или теория раздувающейся Вселенной, которую разработали американские ученые А. Гут и П. Стейнхардт, а затем эту теорию улучшил советский физик А. Д. Линде. Эта теория возникает не в противовес, а в дополнение и развитие концепции Большого взрыва.

Модель раздувающейся Вселенной совпадает с теорией Большого взрыва, начиная от 10^-30 с после начала расширения. Но инфляционная концепция проникает в более ранние отрезки времени зарождения нашей Вселенной – с ее вакуумоподобного состояния.

Основная идея этой концепции состоит в том, что Вселенная на ранних стадиях возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с большой плотностью энергии. Эта энергия, как и исходная материя, возникла из квантового вакуума, то есть как бы из ничего.

В физическом вакууме отсутствуют фиксируемые частицы, поля и волны, но это – не безжизненная пустота. В нем имеются виртуальные частицы, которые рождаются, имеют мимолетное бытие и тут же исчезают. Поэтому вакуум кишит виртуальными частицами и насыщен сложными взаимодействиями между ними. Причем энергия, заключенная в вакууме, располагается как бы на его разных этажах, то есть имеется феномен разностей энергетических уровней вакуума. Разным энергетическим уровням соответствуют разности отрицательных давлений (для квантового вакуума характерно наличие сил отталкивания).

Сказанное относится к вакууму вообще. Инфляционная теория начинает рассмотрение с возбужденного, или ложного, вакуума, в котором существует космическое отталкивание большой величины, оно и вызывает расширение зародыша Вселенной, когда занимаемый ею объем пространства удваивается каждые 10^-34с. Значит, рождающаяся Вселенная была возбужденной квантовой системой. Но фаза инфляции не может продолжаться бесконечно, потому что ложный вакуум неустойчив и стремится к распаду. Отталкивание исчезает, когда происходит распад ложного вакуума, что ведет к замедлению расширения Вселенной.

В фазе инфляции пространство нашей Вселенной увеличивается от миллиардной доли размера протона до нескольких сантиметров (примерно со спичечный коробок). Такое расширение в 10⁵⁰ раз больше, чем предполагалось в концепции Большого взрыва. К концу фазы инфляции Вселенная стала пустой и холодной.

Распад ложного вакуума высвободил энергию в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную примерно до 10²⁷К. Характер (качество) исходной энергии описывается теорией великого объединения (ТВО) как некая суперсила, объединяющая гравитационное, сильное ядерное, слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия. А теория суперсимметрии указывает на одиннадцатимерное пространство и время Вселенной в это мгновение. Из-за необычайно высокой температуры и огромного давления излучения Вселенная продолжила раздувание, но теперь уже в геометрической прогрессии, то есть с ускорением. В итоге сверхплотная и сверхгорячая материя взорвалась.

Перед нами Большой взрыв Вселенной, а тип такого расширения называется инфляцией, и происходит он в промежутке времени примерно от 10^-35с до 10^-30с. С этого момента эволюция Вселенной описывается стандартной теорией горячего Большого взрыва.

Откуда взялась гигантская энергия Большого взрыва и взорвавшаяся материя? В конечном счете из возбужденного вакуума. Пока вакуум находится в равновесном состоянии, там существуют лишь виртуальные (призрачные) частицы, которые занимают в долг у вакуума энергию на короткий промежуток времени, чтобы родиться, и быстро возвращают занятую энергию, чтобы тут же исчезнуть. Когда же вакуум по какой-то причине в некоторой исходной точке (сингулярности) возбудился и вышел из состояния равновесия, то виртуальные частицы стали захватывать энергию без отдачи и превращались в реальные частицы. Поэтому к концу фазы раздувания Вселенной образовалось огромное множество реальных частиц вместе со связанной ими энергией. Когда возбужденный вакуум разрушился, то высвободилась гигантская энергия излучения, а суперсила сжала частицы в сверхплотную материю. Все это произошло в период от 10^-43с до 10^-35с. В момент Большого взрыва огромная тепловая энергия компенсируется отрицательной гравитационной энергией масс, их разлетом. Иначе говоря, Вселенная рождается без нарушения закона сохранения энергии.