Горячая Вселенная и реликтовое излучение

Практически во всех космологических моделях оказывается, что в мо- ] мент сингулярности вся материя и энергия Вселенной должны быть j заключены в точке, не имеющей размеров. Соответственно плотность j материи должна быть бесконечно велика. Если в физической теории; возникают бесконечные величины, то это значит, что с ней что-то не; в порядке. Однако в данном случае особых оснований для беспокой­ства нет, поскольку физики знают, что именно не так. Дело в том, что ■ при плотности порядка 10⁹⁶ кг/м³ становятся существенными эффек­ты квантовой гравитации, теория которых еще не разработана (с. 114). Поэтому практически за «начало» Вселенной принимается момент, когда плотность составляла указанную выше чудовищную величину, в 10⁸⁰ раз превышающую плотность атомных ядер. Пространствен­ные масштабы Вселенной в этот момент характеризуются планков-

5.1. Возникновение и развитие Вселенной; научная космология 207

ской длиной 10'³⁵ м, что в 10²⁰ раз меньше размера атомного ядра. От-личие от не имеющей размеров точки, как видим, -незначительно.

Ясно, что в таких условиях свойства Вселенной должны были кардинально отличаться от современных. В 1946 г. Г. А. Гамов, раз­мышляя над проблемой происхождения химических элементов, пред­положил, что молодая Вселенная была чрезвычайно горячей. Эта ги­потеза имела важное наблюдаемое следствие. Поскольку любое на­гретое тело обязано светиться, то горячая Вселенная должна быть заполнена тепловым излучением. По мере расширения Вселенная остывала (рис. 5.1); охлаждалось и излучение.

В 1965 г. исследователи из корпорации «Белл» Пензиас и Виль­сон, отлаживая чувствительную радиоантенну, обнаружили слабый шум космического происхождения, не зависящий от ориентации ан­тенны. Практически сразу было понято, что этот шум и есть предска­занный Гамовым слабый отблеск бурной молодости Вселенной; ис­следователи получили Нобелевскую премию. Излучение, открытое Пензиасом и Вильсоном, по предложению отечественного астрофи­зика И. С. Шкловского, получило название реликтового излучения¹.

Реликтовое излучение — свидетель ранних этапов развития Все­ленной. Само его существование возможно только при условии, что когда-то Вселенная была компактной и горячей. Измеренная темпе­ратура реликтового излучения (около 3 К) почти совпала с предска­занной Гамовым, что укрепило доверие к космологическим теориям.

Фон реликтового излучения практически равномерно распределен по всей небесной сфере. Это свидетельствует о том, что молодая Все­ленная была однородной, бесструктурной, а структуры — скопления галактик, галактики и звезды — возникли на более поздних этапах.

На общем однородном фоне реликтового излучения имеются не­большие флуктуации (с. 112) его интенсивности, не превышающие 1/100 000 от среднего уровня. Исследования величины этих флук­туации и их распределения по небесной сфере в начале XXI в. позво­лили получить наиболее точную на данный момент оценку возраста Вселенной (п. 5.1.2), Что более существенно, из этих исследований вытекает, что средняя кривизна пространства-времени нашей Все­ленной практически нулевая. В свою очередь, это предполагает, что средняя плотность массы во Вселенной равна критической (с. 204) и ставит вопрос: что же еще, кроме обычного вещества и «темной мате­рии», дает вклад в массу Вселенной?

¹ Другое название — микроволновое фоновое излучение.

208 Глава 5. Естественная история природы и человека

5.1. Возникновение и развитие Вселенной: научная космология 209

5.1.4. Большой взрыв: первые мгновения

Представления о событиях, происходивших в молодой Вселенной, разработаны довольно подробно. Общепринятый космологический, сценарий получил название «стандартной модели» или «модели Боль­шого взрыва». Может вызывать удивление уверенность, с которой ученые говорят о столь давних событиях, но на самом деле удиви­тельного здесь мало. Ранняя Вселенная была весьма просто устроена: как отмечалось, в ней еще не было никаких сложных структур.

Итак, несколько миллиардов лет тому назад вся материя Вселен­ной была сосредоточена в объеме поперечником примерно 10"³⁵ м и нагрета до чрезвычайно высокой температуры. Как известно, темпе­ратура есть мера средней кинетической энергии беспорядочного дви­жения частиц. В первые мгновения она была настолько высока, что' элементарная частица могла иметь энергию, сравнимую с энергией пудовой гири, падающей с высоты нескольких метров. При таких энергиях исчезает различие между разными типами физических взаимодействий (п. 3.3.3.4). Более того, по всей видимости, сам фи­зический вакуум (п. 3.3.4) находился в другом состоянии, гораздо с, большей энергией, чем в современную эпоху. Но ненулевая энергия вакуума соответствует ненулевому Л-члену в уравнениях Эйнштей­на, который, как говорилось в п. 5.1.1, описывает антигравитацию,, силу всемирного отталкивания! Идея Эйнштейна возродилась на но­вом уровне научных знаний, получив обоснование в квантовых пред-' ставлениях, столь упорно им отвергавшихся.

Под действием мощных сил отталкивания, обусловленных энер- ■ гией вакуума (которая могла составлять до 10¹¹⁴ Дж/м³), Вселенная; начала раздуваться с нарастающим ускорением. По оценкам ученых, \ на этой стадии инфляции пространственные масштабы Вселенной j могли увеличиваться в сотни раз каждые 10~*² секунды. В результате! спустя ничтожное время, не превышающее 10³³ с, расстояние между \ любыми двумя частицами вещества, которые существовали в началь-4 ный момент, должно было стать больше поперечника доступной се- j годня для наблюдения части Вселенной. В такой же степени должна] была упасть температура. Из сверхплотной и-сверхгорячей Вселен-] ная стала почти абсолютно пустой и холодной.

Если бы на этом все и закончилось, то сегодня некому было бы ни j

писать, ни читать эти строки. Однако понижение температуры при-1

вело к нарушению симметрии (с. 59) — единое взаимодействие, суще-j

. ствовавшее в первые мгновения, разделилось на четыре взаимодей-С

ствия, знакомых нам сегодня..Одновременно высокоэнергетическое состояние физического вакуума стало неустойчивым, и он перешел в современное, привычное для нас низкоэнергетическое состояние. Избыток энергии выделился в виде энергии покоя (п. 2.5.5) и кине­тической энергии возникших элементарных частиц. Вселенная стала вновь горячей (~ 10²⁷ К) и заполненной частицами. Таким образом, можно с полным правом говорить, что все в мире возникло из ниче­го¹ — если, конечно, лукаво считать вакуум «ничем».

Кинетическая энергия частиц при такой температуре была доста­точной, чтобы при их столкновениях рождались самые разнообраз­ные новые частицы. В результате весьма быстро установился равно­весный состав только что родившейся Вселенной: количество частиц каждого сорта определялось исключительно их массой (т. е. энергией покоя). Этот вывод не зависит от деталей взаимодействия между час­тицами, поскольку выражает общий принцип симметрии Болъцмана:

при тепловом равновесии вероятность обнаружить систему в со­стоянии с энергией, отличающейся от среднего значения на Е, зависит только от величины F и температуры Т и пропорииональ-JL на е-^Е'^кт,

где е = 2,71828... — основание натуральных логарифмов, k — постоян­ная Болъцмана. Чем больше масса частицы, тем больше ее энергия и соответственно меньше вероятность возникнуть в результате тепло­вых столкновений.

5.1.5. Большой взрыв: первые минуты

По мере дальнейшего расширения Вселенной и понижения темпера­туры энергия теплового движения перестает быть достаточной для рождения тяжелых частиц. Все они нестабильны и потому до наших дней не дожили. Мы знакомы с ними лишь по их мимолетным появ­лениям в мощных ускорителях и в потоках космических лучей. Вы­мирание (физики говорят: «вымораживание») тяжелых частиц озна­чает цепочку нарушений больцмановской симметрии.

В ту же эпоху произошло нарушение еще одной важнейшей сим­метрии — между частицами и античастицами, в результате которого частиц оказалось немного, на одну миллиардную долю больше, чем античастиц. Именно из этой доли состоят сегодняшние звезды, пла­неты и люди: все остальные частицы и античастицы взаимно анниги­лировали, превратившись в электромагнитное излучение.

¹ Рубин С. Мир, рожденный из ничего // Вокруг света. 2004. № 2. С. 56-65.

210 Глава 5. Естественная история прир&ды и человека

Когда возраст Вселенной достиг 50 микросекунд, температура упа-1 ла до 5 триллионов градусов, а состав вещества свелся к бурлящет смеси протонов и нейтронов, составляющих современные атомные^;1

ю

Нарушение симметрии материи и антиматерии