После загадочной космологической сингулярности следует не менее таинственная планковская эра (0 -10 -43 с). Трудно сказать какие процессы происходили в этот краткий миг новорождённой Вселенной. Но точно известно, что к концу планковского момента гравитационное воздействие отделилось от трёх фундаментальных сил, соединенных в единую группу Великого объединения.

Для того, чтобы описать более ранний момент, необходима новая теория, частью которой может стать модель петлевой квантовой гравитации и теория струн. Получается, что планковская эра, как и космологическая сингулярность, составляет сверхмалый по длительности, но значительный по научному весу пробел в доступных знаниях ранней Вселенной. Так же в пределах планковского времени существовали своеобразные флуктации пространства и времени. Для описания этого квантового хаоса можно использовать образ пенящихся квантовых ячеек пространства-времени.

По сравнению с планковской эрой дальнейшие события предстают перед нами в ярком и понятном свете. В период с 10 -43 с до 10 -35 с в молодой Вселенной уже действовали силы гравитации и Великого объединения. В этот период сильное, слабое и электромагнитное воздействия были единым целым и составляли силовое поле Великого объединения.

Когда с момента Большого взрыва прошло 10 -35 с, Вселенная достигла температуры 10 29 К. В этот момент сильное взаимодействие отделилось от электрослабого. Это привело к нарушению симметрии, которое происходило по-разному в разных частях Вселенной. Есть вероятность, что Вселенная разделилась на части, которые были отгорожены друг от друга дефектами пространства-времени. Так же там могли существовать и другие дефекты - космические струны или магнитные монополи. Однако, сегодня мы не можем этого видеть из-за другого разделения силы Великого объединения - космологической инфляции.

В то время Вселенная была заполнена газом из гравитонов - гипотетических квантов поля тяготения и бозонов силы Большого объединения. В это же время почти не существовала разница между лептонами и кварками.

Когда в некоторых частях Вселенной произошло разделение сил, возник ложный вакуум. Энергия застряла на высоком уровне, вынуждая пространство удваиваться каждые 10 -34 с. Таким образом, Вселенная от квантовых масштабов(одна миллиардная триллионной триллионной доли сантиметра) перешла к размерам шара с диаметром около 10 см. В результате эпохи Великого объединения произошёл фазовый переход первичной материи, который сопровождался нарушением однородности её плотности. Эпоха Великого объединения закончилась приблизительно в 10 ?34 секунд с момента Большого Взрыва, когда плотность материи составляла 10 74 г/смі, а температура 10 27 K. В этот момент времени от первичного взаимодействия отделяется сильное ядерное взаимодействие, которое начинает играть важную роль в создавшихся условиях. Это отделение привело к следующему фазовому переходу и масштабному расширению Вселенной, которое привело к изменению плотности вещества и распределению его по Вселенной.

Одна из причин, почему мы так мало знаем о состоянии Вселенной до инфляции, заключается в том, что дальнейшие события очень сильно её изменили, разбросав частицы до инфляционного возраста по самым дальним уголкам Вселенной. Поэтому, даже если эти частицы и сохранились, обнаружить их в современном веществе достаточно сложно.

С быстрым развитием Вселенной происходят большие изменения, и в след за периодом Великого объединения идёт эпоха инфляции (10 -35 - 10 -32). Для этой эпохи характерно сверхбыстрое расширения молодой Вселенной, то есть инфляция. В этот краткий миг Мироздание представляло собой океан ложного вакуума с высокой плотностью энергии, благодаря чему и стало возможно расширение. При этом параметры вакуума постоянно менялись из-за квантовых всплесков - флуктации (пространство-временное вспенивание).

Инфляция объясняет природу взрыва при Большом взрыве, то есть почему происходило стремительное расширение Вселенной. Основой для описания этого явления послужили общая теория относительности Эйнштейна и квантовая теория поля. Для того, что описать это явление, физики построили гипотетическое инфлаторное поле, которое заполняло всё пространство. Благодаря случайным колебаниям оно принимало разные значения в произвольных пространственных областях и в разные моменты времени. Затем в инфлаторном поле образовалась однородная конфигурация критического размера, после чего пространственная область, занятая флуктацией, начала быстро увеличиваться в размерах. Из-за стремления инфлаторного поля занять положение, в котором его энергия минимальна, процесс расширения обрёл нарастающий характер, в результате которого Вселенная начала увеличиваться в размерах. В момент расширения(10 -34) начал распадаться ложный вакуум, в результате чего начинают образоваться частицы и античастицы больших энергий.

В истории Вселенной наступает адронная эра, важной особенностью которой является существования частиц и античастиц. Согласно современным представлениям в первые микросекунды после Большого взрыва, Вселенная находилась в состоянии кварк-глюонной плазмы. Кварки являются составными частями всех адронов (протонов и нейтронов), а нейтральные частицы глюоны-переносчики сильного взаимодействия, которые обеспечивают слипание кварков в адроны. В первые моменты Вселенной эти частицы только образовывались и находились в свободном, газообразном, состоянии.

Хромоплазму кварков и глюонов обычно сравнивают с жидким состоянием взаимодействующей материи. В такой фазе кварки и глюоны освобождаются от адронной материи и могут свободно перемещаться по всему плазменному пространству, в результате чего образуется цветопроводность.

Не смотря на экстремально высокие температуры, кварки были достаточно связаны между собой, а их движение напоминало скорее движение атомов в жидкости, чем в газе. Так же при таких условиях происходит ещё один фазовый переход, при котором лёгкие кварки, составляющие вещество, становятся безмассовыми.

Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальное изобилие частиц по сравнению с количеством античастиц составляло ничтожно малую долю от общего числа. И именно этих избыточных протонов хватило для создания вещества Вселенной.

Некоторые учёные полагают, что в адронной эре существовали и скрытие вещества. Носитель скрытой массы неизвестен, но наиболее вероятными считаются такие элементарные частицы как аксионы.

В процессе развития взрыва температура падала и через одну десятую секунды достигала 3*10 10 градусов Цельсия. Через одну секунду - десять тысяч миллионов градусов, а через тринадцать секунд- три тысячи миллионов. Этого было уже достаточно для того, чтобы электроны и позитроны начали аннагилировать быстрее. Энергия, выделяющаяся при аннагиляции, постепенно замедляла скорость охлаждения Вселенной, но температура продолжала падать.

Период с 10-4 - 10 с принято называть эрой лептонов. Когда энергия частиц и фотонов понизилась в сотню раз, вещество заполнили лептоны-электроны и позитроны. Лептонная эра начинается с распада последних адронов в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд, когда энергия фотонов резко уменьшилась и генерация электрон-позитронных пар прекратилась.

Примерно через одну сотую секунды после Большого взрыва температура Вселенной была равна 10 11 градусов Цельсия. Это намного горячее, чем в центре любой известной нам звезды. Эта температура так высока, что ни один из компонентов обычного вещества, атомы и молекулы, не могли существовать. Вместо этого молодая Вселенная состояла из элементарных частиц. Одними из этих частиц были электроны, - отрицательно заряженные частицы, которые образую внешние части всех атомов. Другими частицами были позитроны,- положительно заряженные частицы с массой, в точности равной массе электрона. Помимо этого существовало нейтрино различных типов- призрачных частиц, не имеющих ни массы, ни электрического заряда. Но нейтрино и антинейтрино не аннигилировали друг с другом, потому что эти частицы очень слабо взаимодействуют между собой и другими частицами. Поэтому они до сих пор должны встречаться вокруг нас, и они могло бы стать хорошим способ проверки модели горячей ранней Вселенной. Однако энергии этих частиц сейчас слишком малы для их наблюдения.

Во время эры лептонов имелись такие частицы как протоны и нейтроны. И наконец, во Вселенной был свет, который, согласно, квантовой теории, состоит из фотонов. В пропорциональном отношении, на один нейтрон и протон приходилось тысяча миллионов электронов. Все эти частицы непрерывно рождались из чистой энергии, а затем аннигилировали, образовывали другие виды частиц. Плотность в ранней Вселенной при столь высоких температурах была в четыре тысячи миллионов раз больше, чем у воды.

Как говорилось ранее, именно в этот период происходит интенсивное рождение в ядерных реакциях различных типов призрачного нейтрино, которое называют реликтовым.

Начинается радиационная эра, в начале которой Вселенная вступает в эпоху излучения. В начала эры (10 с) излучение интенсивно взаимодействовало с заряженными частицами протонов и электронов. Из-за падения температуры фотоны охлаждались, и в результате многочисленных рассеяний на удаляющихся частицах уносилась часть их энергии.

Примерно через сто секунд после Большого взрыва температура падает до тысячи миллионов градусов, что соответствует температуре самых горячих звёзд. При таких условиях энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для сопротивления сильному ядерному притяжению, и они начинают объединяться друг с друг с другом, образуя ядра дейтерия- тяжёлого водорода. Затем ядра дейтерия присоединяют другие нейтроны и протоны и превращаются в ядра гелия. После образуются более тяжёлые элементы - литий и бериллий. Первичное образование атомных ядер рождающегося вещества продолжалось недолго. После трёх минут частицы разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения стали редким явлением. Согласно горячей модели Большого взрыва, около четвёртой части протонов и нейтронов должно было превратиться в атомы гелия, водорода и других элементов. Оставшиеся элементарные частицы распались на протоны, представляющие ядра обычного водорода.

Через несколько часов после Большого взрыва образование гелия и других элементов прекратилось. В течение миллиона лет Вселенная просто продолжала расширяться и в ней почти больше ничего не происходило. Существующая в тот период материя начала расширяться и охлаждаться. Значительно позже, через сотни тысяч лет температура упала до нескольких тысяч градусов, и энергии электронов и ядер стало недостаточно для преодоления действующего между ними электромагнитного притяжения. Они начали сталкиваться между собой, образуя первые атомы водорода и гелия (рис 2).

Поверхность шарика - это пространство, в котором мы живем

Даже астрономы не всегда правильно понимают расширение Вселенной. Раздувающийся воздушный шар – старая, но хорошая аналогия расширения Вселенной. Галактики, расположенные на поверхности шара, неподвижны, но поскольку Вселенная расширяется, расстояние между ними возрастает, а размеры самих галактик не увеличиваются.

В июле 1965 г. ученые объявили об открытии явных признаков расширения Вселенной из более горячего и плотного исходного состояния. Они нашли остывающее послесвечение Большого взрыва – реликтовое излучение. С этого момента расширение и охлаждение Вселенной легло в основу космологии. Космологическое расширение позволяет понять, как формировались простые структуры и как они постепенно развивались в сложные. Спустя 75 лет после открытия расширения Вселенной многие ученые не могут проникнуть в его истинный смысл. Джеймс Пиблз (James Peebles), космолог из Принстонского университета, изучающий реликтовое излучение, писал в 1993 г. : «Мне кажется, что даже специалисты не знают, каково значение и возможности модели горячего Большого взрыва».

Известные физики, авторы учебников по астрономии и популяризаторы науки порою дают неверную или искаженную трактовку расширения Вселенной, которое легло в основу модели Большого взрыва. Что же мы имеем в виду, когда говорим, что Вселенная расширяется? Несомненно, сбивает с толку то обстоятельство, что теперь говорят об ускорении расширения, и это ставит нас в тупик.

ОБЗОР: КОСМИЧЕСКОЕ НЕДОРАЗУМЕНИЕ

* Расширение Вселенной – одна из фундаментальных концепций современной науки – до сих пор получает различное толкование.

* Не следует воспринимать термин «Большой взрыв» буквально. Он не был бомбой, взорвавшейся в центре Вселенной. Это был взрыв самого пространства, который произошел повсеместно, подобно тому, как расширяется поверхность надуваемого воздушного шара.

* Понимание различия между расширением пространства и расширением в пространстве крайне важно для того, чтобы понять, каков размер Вселенной, скорость разбегания галактик, а также возможности астрономических наблюдений и природы ускорения расширения, которое, вероятно, испытывает Вселенная.

* Модель Большого взрыва описывает лишь то, что случилось после него.

Что такое расширение?

Когда расширяется что-нибудь привычное, например, влажное пятно или Римская империя, то они становятся больше, их границы раздвигаются, и они начинают занимать больший объем в пространстве. Но Вселенная, похоже, не имеет физических ограничений, и ей некуда двигаться. Расширение нашей Вселенной очень похоже на надувание воздушного шара. Расстояния до далеких галактик увеличиваются. Обычно астрономы говорят, что галактики удаляются или убегают от нас, но не перемещаются в пространстве, как осколки «бомбы Большого взрыва». В действительности расширяется пространство между нами и галактиками, хаотически движущимися внутри практически неподвижных скоплений. Реликтовое излучение заполняет Вселенную и служит системой отсчета, подобной резиновой поверхности воздушного шара, по отношению к которой движение и может быть измерено.

Находясь вне шара, мы видим, что расширение его искривленной двухмерной поверхности возможно только потому, что она находится в трехмерном пространстве. В третьем измерении располагается центр шара, а его поверхность расширяется в окружающий его объем. Исходя из этого, можно было бы заключить, что расширение нашего трехмерного мира требует наличия у пространства четвертого измерения. Но согласно общей теории относительности Эйнштейна, пространство динамично: оно может расширяться, сжиматься и изгибаться.

Дорожная пробка

Вселенная самодостаточна. Не требуются ни центр, чтобы расширяться от него, ни свободное пространство с внешней стороны (где бы она ни находилась), чтобы туда расширяться. Правда, некоторые новейшие теории, такие как теория струн, постулируют наличие дополнительных измерений, но при расширении нашей трехмерной Вселенной они не требуются.

В нашей Вселенной, как и на поверхности воздушного шара, каждый объект отдаляется от всех остальных. Таким образом, Большой взрыв не был взрывом в пространстве, а скорее это был взрыв самого пространства, который не произошел в определенном месте и затем не расширялся в окружающую пустоту. Это произошло всюду одновременно.

Если представить, что мы прокручиваем киноленту в обратном порядке, то увидим, как все области Вселенной сжимаются, а галактики сближаются, пока не столкнутся все вместе в Большом взрыве, как автомобили в дорожной пробке. Но сопоставление тут не полное. Если бы речь шла о происшествии, то вы могли бы объехать затор, услышав сообщения о нем по радио. Но Большой взрыв был катастрофой, которую невозможно избежать. Это похоже на то, как если бы поверхность Земли и все дороги на ней смялись, но автомобили оставались бы прежнего размера. В конце концов машины столкнулись бы, и никакое сообщение по радио не помогло бы предотвратить это. Так же и Большой взрыв: он произошел повсеместно, в отличие от взрыва бомбы, который происходит в определенной точке, а осколки разлетаются во все стороны.

Теория Большого взрыва не дает нам информации о размере Вселенной и даже о том, конечна она или бесконечна. Теория относительности описывает, как расширяется каждая область пространства, но ничего не говорится о размере или форме. Иногда космологи заявляют, что Вселенная когда-то была не больше грейпфрута, но они имеют в виду лишь ту ее часть, которую мы сейчас можем наблюдать.

У обитателей туманности Андромеды или других галактик свои наблюдаемые вселенные. Наблюдатели, находящиеся в Андромеде, могут видеть галактики, которые недоступны нам, просто из-за того, что они немного ближе к ним; зато они не могут созерцать те, которые рассматриваем мы. Их наблюдаемая Вселенная тоже была размером с грейпфрут. Можно вообразить, что ранняя Вселенная была похожа на кучу этих фруктов, безгранично простирающуюся во всех направлениях. Значит, представление о том, что Большой взрыв был «маленьким», ошибочно. Пространство Вселенной безгранично. И как его ни сжимай, оно таковым и останется.

Быстрее света

Ошибочные представления бывают связаны и с количественным описанием расширения. Скорость, с которой увеличиваются расстояния между галактиками, подчиняется простой закономерности, выявленной американским астрономом Эдвином Хабблом (Edwin Hubble) в 1929 г. : скорость удаления галактики v прямо пропорциональна его расстоянию от нас d, или v = Hd. Коэффициент пропорциональности H называется постоянной Хаббла и определяет скорость расширения пространства как вокруг нас, так и вокруг любого наблюдателя во Вселенной.

Некоторых сбивает с толку то, что не все галактики подчиняются закону Хаббла. Ближайшая к нам крупная галактика (Андромеда) вообще движется к нам, а не от нас. Такие исключения бывают, поскольку закон Хаббла описывает лишь среднее поведение галактик. Но каждая из них может иметь и небольшое собственное движение, поскольку галактики гравитационно воздействуют друг на друга, как, например, наша Галактика и Андромеда. Отдаленные галактики также имеют небольшие хаотические скорости, но при большом расстоянии от нас (при большом значении d) эти случайные скорости ничтожно малы на фоне больших скоростей удаления (v). Поэтому для далеких галактик закон Хаббла выполняется с высокой точностью.

Согласно закону Хаббла, Вселенная расширяется не с постоянной скоростью. Некоторые галактики удаляются от нас со скоростью 1 тыс. км/с, другие, находящиеся вдвое дальше, со скоростью 2 тыс. км/с, и т.д. Таким образом, закон Хаббла указывает, что, начиная с некоторого расстояния, называемого хаббловским, галактики удаляются со сверхсветовой скоростью. Для измеренного значения постоянной Хаббла это расстояние составляет около 14 млрд. световых лет.

Но разве частная теория относительности Эйнштейна не утверждает, что никакой объект не может иметь скорость выше скорости света? Такой вопрос ставил в тупик многие поколения студентов. А ответ состоит в том, что частная теория относительности применима лишь к «нормальным» скоростям – к движению в пространстве. В законе Хаббла речь идет о скорости удаления, вызванного расширением самого пространства, а не движением в пространстве. Этот эффект общей теории относительности не подчиняется частной теории относительности. Наличие скорости удаления выше скорости света никак не нарушает частную теорию относительности. По-прежнему верно, что никто не может догнать луч света.

МОГУТ ЛИ ГАЛАКТИКИ УДАЛЯТЬСЯ СО СКОРОСТЬЮ ВЫШЕ СКОРОСТИ СВЕТА? НЕВЕРНО : Частная теория относительности Эйнштейна запрещает это. Рассмотрим область пространства, содержащую несколько галактик. Из-за ее расширения галактики удаляются от нас. Чем дальше галактика, тем больше ее скорость (красные стрелки). Если скорость света – предел, то скорость удаления должна в итоге стать постоянной. ВЕРНО : Разумеется, могут. Частная теория относительности не рассматривает скорость удаления. Скорость удаления бесконечно возрастает с рассто- янием. Дальше некоторого расстояния, называемого хаббловским, она превышает скорость света. Это не является нарушением теории относительности, пос- кольку удаление вызвано не движением в простран- стве, а расширением самого пространства.

МОЖНО ЛИ УВИДЕТЬ ГАЛАКТИКИ, УДАЛЯЮЩИЕСЯ БЫСТРЕЕ СВЕТА? НЕВЕРНО : Конечно нет. Свет от таких галактик улетает вместе с ними. Пусть галактика находится за пределом хаббловского расстояния (сфера), т.е. удаляется от нас быстрее скорости света. Она испускает фотон (помечено желтым цветом). Пока фотон летит сквозь пространство, само оно расширяется. Расстояние до Земли увеличивается быстрее, чем движется фотон. Он никогда не достигнет нас. ВЕРНО : Конечно можно, поскольку скорость расширения изменяется со временем. Сначала фотон действительно сносится расширением. Однако хаббловское расстояние не постоянно: оно увеличивается, и в конце концов фотон может попасть в сферу Хаббла. Как только это случится, фотон будет двигаться быстрее, чем удаляется Земля, и он сможет достичь нас.

Растяжение фотонов

Первые наблюдения, показывающие, что Вселенная расширяется, были сделаны между 1910 и 1930 г. В лаборатории атомы испускают и поглощают свет всегда на определенных длинах волн. То же наблюдается и в спектрах далеких галактик, но со смещением в длинноволновую область. Астрономы говорят, что излучение галактики испытывает красное смещение. Объяснение простое: при расширении пространства световая волна растягивается и поэтому ослабевает. Если в течение того времени, пока световая волна дошла до нас, Вселенная расширилась вдвое, то и длина волны удвоилась, а ее энергия ослабла в два раза.

ГИПОТЕЗА УСТАЛОСТИ Каждый раз, когда Scientific American публикует статью по космологии, многие читатели пишут нам, что, по их мнению, галактики на самом деле не удаляются от нас и что расширение пространства – иллюзия. Они полагают, что красное смещение в спектрах галактик вызвано чем-то вроде «утомления» от долгой поездки. Некий неизвестный процесс вынуждает свет, распространяясь сквозь пространство, терять энергию и поэтому краснеть. Данной гипотезе уже более полувека, и на первый взгляд она выглядит разумной. Но она совершенно не согласуется с наблюдениями. Например, когда звезда взрывается как сверхновая, она вспыхивает, а затем тускнеет. Весь процесс длится примерно две недели у сверхновых того типа, который астрономы используют для определения расстояний до галактик. За этот период времени сверхновая излучает поток фотонов. Гипотеза усталости света говорит, что за время пути фотоны потеряют энергию, но наблюдатель все равно получит поток фотонов длительностью в две недели. Однако в расширяющемся пространстве не только сами фотоны растягиваются (и поэтому теряют энергию), но и их поток также растягивается. Поэтому требуется более двух недель, чтобы все фотоны добрались до Земли. Наблюдения подтверждают такой эффект. Вспышка сверхновой в галактике с красным смещением 0,5 наблюдается три недели, а в галактике с красным смещением 1 – месяц. Гипотеза усталости света противоречит также наблюдениям спектра реликтового излучения и измерениям поверхностной яркости далеких галактик. Пришло время отправить на покой «утомленный свет» (Чарльз Линевивер и Тамара Дэвис). Сверхновые звезды, как эта в скоплении галактик в Деве, помогают измерять космическое расширение. Их наблюдаемые свойства исключают альтернативные космологические теории, в которых пространство не расширяется.

Процесс можно описать в терминах температуры. Испускаемые телом фотоны имеют распределение по энергии, которое в целом характеризуют температурой, указывающей, насколько тело горячее. Когда фотоны движутся в расширяющемся пространстве, они теряют энергию и их температура снижается. Таким образом, Вселенная при расширении охлаждается, как сжатый воздух, вырывающийся из баллона аквалангиста. К примеру, реликтовое излучение сейчас имеет температуру около 3 К, тогда как оно родилось при температуре около 3000 К. Но с того времени Вселенная увеличилась в размере в 1000 раз, а температура фотонов понизилась во столько же раз. Наблюдая газ в далеких галактиках, астрономы прямо измеряют температуру этого излучения в далеком прошлом. Измерения подтверждают, что Вселенная со временем охлаждается.

В связи между красным смещением и скоростью также существуют некоторые противоречия. Красное смещение, вызванное расширением, часто путают с более знакомым красным смещением, вызванным эффектом Доплера, который обычно делает звуковые волны более длинными, если источник звука удаляется. То же верно и для световых волн, которые становятся более длинными, если источник света отдаляется в пространстве.

Доплеровское красное смещение и космологическое красное смещение – вещи абсолютно разные и описываются различными формулами. Первая вытекает из частной теории относительности, которая не принимает во внимание расширение пространства, а вторая следует из общей теории относительности. Эти две формулы почти одинаковы для близлежащих галактик, но различаются для отдаленных.

Согласно формуле Доплера, если скорость объекта в пространстве приближается к скорости света, то его красное смещение стремится к бесконечности, а длина волны становится слишком большой и поэтому недоступной для наблюдения. Если бы это было верно для галактик, то самые отдаленные видимые объекты на небе удалялись бы со скоростью, заметно меньшей скорости света. Но космологическая формула для красного смещения приводит к другому выводу. В рамках стандартной космологической модели галактики с красным смещением около 1,5 (т.е. принимаемая длина волны их излучения на 50% больше лабораторного значения) удаляются со скоростью света. Астрономы уже обнаружили около 1000 галактик с красным смещением больше 1,5. А значит, нам известно около 1000 объектов, удаляющихся быстрее скорости света. Реликтовое излучение приходит с еще большего расстояния и имеет красное смещение около 1000. Когда горячая плазма молодой Вселенной испускала принимаемое нами сегодня излучение, она удалялась от нас почти в 50 раз быстрее скорости света.

Бег на месте

Трудно поверить, что мы можем видеть галактики, движущиеся быстрее скорости света, однако это возможно из-за изменения скорости расширения. Вообразите луч света, идущий к нам с расстояния большего, чем расстояние Хаббла (14 млрд. световых лет). Он движется к нам со скоростью света относительно своего местоположения, но само оно удаляется от нас быстрее скорости света. Хотя свет устремляется к нам с максимально возможной скоростью, он не может угнаться за расширением пространства. Это напоминает ребенка, пытающегося бежать в обратную сторону по эскалатору. Фотоны на хаббловском расстоянии перемещаются с максимальной скоростью, чтобы оставаться на прежнем месте.

Можно подумать, что свет из областей, удаленных дальше расстояния Хаббла, никогда не сможет дойти до нас и мы его никогда не увидим. Но расстояние Хаббла не остается неизменным, поскольку постоянная Хаббла, от которой оно зависит, меняется со временем. Эта величина пропорциональна скорости разбегания двух галактик, деленной на расстояние между ними. (Для вычисления можно использовать любые две галактики.) В моделях Вселенной, согласующихся с астрономическими наблюдениями, знаменатель увеличивается быстрее числителя, поэтому постоянная Хаббла уменьшается. Следовательно, расстояние Хаббла растет. А раз так, свет, который первоначально не достигал нас, может со временем оказаться в пределах хаббловского расстояния. Тогда фотоны окажутся в области, удаляющейся медленнее скорости света, после чего они смогут добраться до нас.

ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ЛИ КОСМИЧЕСКОЕ КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ – ЭТО ДОПЛЕРОВСКОЕ СМЕЩЕНИЕ?

НЕВЕРНО : Да, потому что удаляющиеся галактики движутся в пространстве. В эффекте Доплера световые волны растягиваются (становясь более красными), когда их источник удаляется от наблюдателя. Длина волны света не меняется во время его путешествия сквозь пространство. Наблюдатель принимает свет, измеряет его красное смещение и вычисляет скорость галактики.

ВЕРНО : Нет, красное смещение не имеет никакого отношения к эффекту Доплера. Галактика почти неподвижна в пространстве, поэтому испускает свет одинаковой длины волны во всех направлениях. За время пути длина волны становится больше, поскольку пространство расширяется. Поэтому свет постепенно краснеет. Наблюдатель принимает свет, измеряет его красное смещение и вычисляет скорость галактики. Космическое красное смещение отличается от доплеровского смещения, что подтверждают наблюдения.

Однако галактика, пославшая свет, может продолжать удаляться со сверхсветовой скоростью. Таким образом, мы можем наблюдать свет от галактик, которые, как и прежде, всегда будут удаляться быстрее скорости света. Одним словом, хаббловское расстояние не фиксировано и не указывает нам границы наблюдаемой Вселенной.

А что в действительности отмечает границу наблюдаемого пространства? Здесь тоже происходит некая путаница. Если бы пространство не расширялось, то самый отдаленный объект мы могли бы наблюдать теперь на расстоянии около 14 млрд. световых лет от нас, т.е. на расстоянии, которое свет преодолел за 14 млрд. лет, прошедших с момента Большого взрыва. Но поскольку Вселенная расширяется, пространство, пересеченное фотоном, расширилось за время его пути. Поэтому текущее расстояние до самого удаленного из наблюдаемых объектов примерно втрое больше – около 46 млрд. световых лет.

Раньше космологи думали, что мы живем в замедляющейся Вселенной и поэтому можем наблюдать все больше и больше галактик. Однако в ускоряющейся Вселенной мы отгорожены границей, вне которой никогда не увидим происходящие события – это космический горизонт событий. Если свет от галактик, удаляющихся быстрее скорости света, достигнет нас, значит, расстояние Хаббла увеличится. Но в ускоряющейся Вселенной его увеличение запрещено. Удаленное событие может послать луч света в нашем направлении, но этот свет навсегда останется за пределом расстояния Хаббла из-за ускорения расширения.

Как видим, ускоряющаяся Вселенная напоминает черную дыру, тоже имеющую горизонт событий, извне которого мы не получаем сигналов. Нынешнее расстояние до нашего космического горизонта событий (16 млрд. световых лет) целиком лежит в пределах нашей наблюдаемой области. Свет, испущенный галактиками, находящимися сейчас дальше космического горизонта событий, никогда не сможет достигнуть нас, т.к. расстояние, которое сейчас соответствует 16 млрд. световых лет, будет расширяться слишком быстро. Мы сможем увидеть события, происходившие в галактиках прежде, чем они пересекли горизонт, но о последующих событиях мы не узнаем никогда.

Во Вселенной расширяется все?

Люди часто думают, что если пространство расширяется, то и все в нем тоже расширяется. Но это неверно. Расширение как таковое (т.е. по инерции, без ускорения или замедления) не производит никакой силы. Длина волны фотона увеличивается вместе с ростом Вселенной, поскольку в отличие от атомов и планет фотоны не связанные объекты, размеры которых определяются равновесием сил. Изменяющаяся скорость расширения действительно вносит новую силу в равновесие, но и она не может заставить объекты расширяться или сжиматься.

Например, если бы гравитация стала сильнее, ваш спинной мозг сжался бы, пока электроны в позвоночнике не достигли бы нового положения равновесия, чуть ближе друг к другу. Ваш рост немного уменьшился бы, но сжатие на этом прекратилось бы. Точно так же, если бы мы жили во Вселенной с преобладанием сил тяготения, как еще несколько лет назад считало большинство космологов, то расширение замедлялось бы, а на все тела действовало бы слабое сжатие, заставляющее их достигать меньшего равновесного размера. Но, достигнув его, они бы больше не сжимались.

НАСКОЛЬКО ВЕЛИКА НАБЛЮДАЕМАЯ ВСЕЛЕННАЯ?

НЕВЕРНО : Вселенной 14 млрд. лет, поэтому наблюдаемая ее часть должна иметь радиус 14 млрд. световых лет.Рассмотрим самую далекую из наблюдаемых галактик – ту, чьи фотоны, испущенные сразу после Большого взрыва, только теперь достигли нас. Световой год – это расстояние, проходимое фотоном за год. Значит, фотон преодолел 14 млрд. световых лет

ВЕРНО : Поскольку пространство расширяется, наблюдаемая область имеет радиус больше, чем 14 млрд. световых лет. Пока фотон путешествует, пространство, которое он пересекает, расширяется. К моменту, когда он достигает нас, расстояние до испустившей его галактики становится больше, чем просто вычисленное по времени полета, – приблизительно втрое больше

Фактически же расширение ускоряется, что вызвано слабой силой, «раздувающей» все тела. Поэтому связанные объекты имеют размеры немного больше, чем были бы в неускоряющейся Вселенной, поскольку равновесие сил достигается у них при немного большем размере. На поверхности Земли ускорение, направленное наружу, от центра планеты, составляет мизерную долю (10–30) нормального гравитационного ускорения к центру. Если это ускорение неизменно, то оно не заставит Землю расширяться. Просто планета принимает чуть больший размер, чем он был бы без силы отталкивания.

Но все изменится, если ускорение не постоянно, как полагают некоторые космологи. Если отталкивание увеличивается, то это может в конце концов вызвать разрушение всех структур и привести к «Большому разрыву», который произошел бы не из-за расширения или ускорения как такового, а потому что ускорение ускорялось бы.

А ОБЪЕКТЫ ВО ВСЕЛЕННОЙ ТОЖЕ РАСШИРЯЮТСЯ? НЕВЕРНО : Да. Расширение заставляет Вселенную и все находящееся в ней увеличиваться. В качестве объекта рассмотрим скопление галактик. Раз Вселенная становится больше, то и скопление – также. Граница скопления (желтая линия) расширяется. ВЕРНО : Нет. Вселенная расширяется, но связанные объекты в ней не делают этого. Соседние галактики сначала удаляются, но в конечном счете их взаимное притяжение пересиливает расширение. Формируется скопление такого размера, которое соответствует его равновесному состоянию.

По мере того как новые точные измерения помогают космологам лучше понять расширение и ускорение, они могут задаться еще более фундаментальными вопросами о самых ранних мгновениях и наибольших масштабах Вселенной. Чем было вызвано расширение? Многие космологи считают, что в этом виноват процесс, называемый «инфляцией» (раздуванием), особый тип ускоряющегося расширения. Но возможно, это лишь частичный ответ: чтобы она началась, похоже, Вселенная уже должна была расширяться. А что относительно наибольших масштабов за пределом наших наблюдений? Расширяются ли разные части Вселенной по-разному, так, что наша Вселенная – это всего лишь скромный инфляционный пузырь в гигантской сверхвселенной? Никто не знает. Но мы надеемся, что со временем мы сможем прийти к пониманию процесса расширения Вселенной.

ОБ АВТОРАХ:
Чарльз Линевивер (Charles H. Lineweaver) и Тамара Дэвис (Tamara M. Davis) – астрономы из австралийской обсерватории Маунт-Стромло. В начале 1990-х гг. в Калифорнийском университете в Беркли Линевивер входил в группу ученых, открывших с помощью спутника COBE флуктуации реликтового излучения. Он защитил диссертацию не только по астрофизике, но и по истории и английской литературе. Дэвис работает над созданием космической обсерватории Supernova/Acceleration Probe (Исследователь сверхновых звезд и ускорения).

ЗАМЕЧАНИЯ К СТАТЬЕ
Профессор Засов Анатолий Владимирович, физ. ф-т МГУ: Все недоразумения, с которыми спорят авторы статьи, связаны с тем, что для наглядности чаще всего рассматривают расширение ограниченного объема Вселенной в жесткой системе отсчета (причем расширение достаточно маленькой области, чтобы не учитывать разность хода времени на Земле и на далеких галактиках в земной системе отсчета). Отсюда представление и о взрыве, и о доплеровском смещении, и распространенная путаница со скоростями движения. Авторы же пишут, и пишут правильно, как все выглядит в неинерциальной (сопутствующей) системе координат, в которой обычно работают космологи, хотя в статье прямо не говорится об этом (в принципе, все расстояния и скорости зависят от выбора системы отсчета, и здесь всегда есть некий произвол). Единственно, что написано нечетко, так это то, что не определено, что же в расширяющейся Вселенной понимается под расстоянием. Сначала у авторов это скорость света, умноженная на время распространения, а далее говорится, что необходим еще учет расширения, которое удалило галактику еще больше, пока свет был в пути. Таким образом, расстояние уже понимается как скорость света, умноженная на время распространения, которое он потратил бы, если бы галактика перестала удаляться и излучила свет сейчас. В действительности все сложнее. Расстояние – величина модельно зависимая и непосредственно из наблюдений не получаемая, поэтому космологи без него прекрасно обходятся, заменяя красным смещением. Но может быть, более строгий подход здесь и неуместен.

В научном мире принято считать, что Вселенная произошла в результате Большого взрыва. Строится данная теория на том, что энергия и материя (основы всего сущего) ранее находились в состоянии сингулярности. Оно, в свою очередь, характеризуется бесконечностью температуры, плотности и давления. Состояние сингулярности само по себе отвергает все известные современному миру законы физики. Ученые считают, что Вселенная возникла из микроскопической частицы, которая в силу неизвестных пока причин пришла в далеком прошлом в нестабильное состояние и взорвалась.

Термин «Большой взрыв» стал применяться с 1949 года после публикации в научно-популярных изданиях работ ученого Ф.Хойла. Сегодня теория «динамической эволюционирующей модели» разработана настолько хорошо, что физики могут описать процессы, происходящие во Вселенной уже через 10 секунд после взрыва микроскопической частицы, положившей начало всему сущему.

Доказательств теории существует несколько. Одним из главных является реликтовое излучение, которое пронизывает всю Вселенную. Оно могло возникнуть, по мнению современных ученых, только в результате Большого взрыва, благодаря взаимодействию микроскопических частиц. Именно реликтовое излучение позволяет узнать о тех временах, когда Вселенная была похожа на пылающее пространство, а звезд, планет и самой галактики не было и в помине. Вторым доказательством рождения всего сущего из Большого взрыва считается космологическое красное смещение, заключающееся в уменьшении частоты излучения. Это подтверждает удаление звезд, галактик от Млечного пути в частности и друг от друга в целом. То есть, свидетельствует о том, что Вселенная расширялась ранее и продолжает это делать до сих пор.

Краткая история Вселенной

• 10 -45 - 10 -37 сек - инфляционное расширение


• 10 -6 сек - возникновение кварков и электронов


• 10 -5 сек - образование протонов и нейтронов


• 10 -4 сек - 3 мин - возникновение ядер дейтерия, гелия и лития


• 400 тыс. лет - образование атомов


• 15 млн. лет - продолжение расширения газового облака


• 1 млрд. лет - зарождение первых звезд и галактик


• 10 - 15 млрд. лет - появление планет и разумной жизни


• 10 14 млрд. лет - прекращение процесса рождения звезд


• 10 37 млрд. лет - истощение энергии всех звезд


• 10 40 млрд. лет - испарение черных дыр и рождение элементарных частиц


• 10 100 млрд. лет - завершение испарения всех черных дыр

Теория Большого взрыва стала настоящим прорывом в науке. Она позволила ученым ответить на множество вопросов относительно рождения Вселенной. Но одновременно эта теория породила новые загадки. Главная из них заключается в причине самого Большого взрыва. Второй вопрос, на который нет ответа у современной науки - как появилось пространство, время. По мнению некоторых исследователей, они родились вместе с материей, энергией. То есть, являются результатом Большого взрыва. Но тогда получается, что и у времени, пространства должно быть какое-то начало. То есть, некая сущность, постоянно существующая и не зависящая от их показателей, вполне могла положить начало процессам нестабильности в микроскопической частице, породившей Вселенную.

Чем больше исследований проводится в этом направлении, тем больше вопросов возникает у астрофизиков. Ответы на них ждут человечество в будущем.

Теория Большого взрыва сейчас считается столь же несомненной, как и система Коперника. Однако вплоть до второй половины 1960-х она отнюдь не пользовалась всеобщим признанием, и не только потому, что многие ученые с порога отрицали саму идею расширения Вселенной. Просто у этой модели имелся серьезный конкурент.

Через 11 лет космология как наука сможет отмечать свой столетний юбилей. В 1917 году Альберт Эйнштейн осознал, что уравнения общей теор ии относительности позволяют вычислять физически разумные модели мироздания. Классическая механика и теор ия гравитации такой возможности не дают: Ньютон пытался построить общую картину Вселенной, однако при всех раскладах она неизбежно схлопывалась под действием силы тяготения.

Эйнштейн решительно не верил в начало и конец мироздания и поэтому придумал вечно существующую статичную Вселенную. Для этого ему понадобилось ввести в свои уравнения особую компоненту, которая создавала "антитяготение" и тем самым формально обеспечивала стабильность мироустройства. Это дополнение (так называемый космологический член) Эйнштейн считал неэлегантным, уродливым, но все же необходимым (автор ОТО зря не поверил своему эстетическому чутью - позднее было доказано, что статичная модель неустойчива и поэтому физически бессмысл енна).

У модели Эйнштейна быстро появились конкуренты - модель мира без материи Виллема де Ситтера (1917), замкнутые и открытые нестационарные модели Александра Фридмана (1922 и 1924). Но эти красивые конструкции до поры оставались чисто математическими упражнениями. Чтобы рассуждать о Вселенной в целом не умозрительно, надо хотя бы знать, что существуют миры, расположенные за пределами звездного скопления, в котором находится Солнечная система и мы вместе с нею. А космология получила возможность искать опору в астрономических наблюдениях лишь после того, как в 1926 году Эдвин Хаббл опубликовал работу "Внегалактические туманности", где впервые было дано описание галактик как самостоятельных звездных систем, не входящих в состав Млечного пути.

Сотворение Вселенной заняло вовсе не шесть дней – основная доля работы была завершена гораздо раньше. Вот его примерная хронология.

0. Большой взрыв.

Планковская эра: 10-43 с. Планковский момент. Происходит отделение гравитационного взаимодействия. Размер Вселенной в этот момент равен 10-35 м (т.н. Планковская длина). 10-37 с. Инфляционное расширение Вселенной.

Эра великого объединения: 10-35 с. Разделение сильного и электрослабого взаимодействий. 10-12 с. Отделение слабого взаимодействия и окончательное разделение взаимодействий.

Адронная эра: 10-6 с. Аннигиляция протон-антипротонных пар. Кварки и антикварки перестают существовать, как свободные частицы.

Лептонная эра: 1 с. Формируются ядра водорода. Начинается ядерный синтез гелия.

Эра нуклеосинтеза: 3 минуты. Вселенная состоит на 75% из водорода и на 25% из гелия, а также следовых количеств тяжелых элементов.

Радиационная эра: 1 неделя. К этому времени излучение термализуется.

Эра вещества: 10 тыс. лет. Вещество начинает доминировать во Вселенной. 380 тыс. лет. Ядра водорода и электроны рекомбинируют, Вселенная становится прозрачной для излучения.

Звездная эра: 1 млрд. лет. Формирование первых галактик. 1 млрд. лет. Образование первых звезд. 9 млрд. лет. Образование Солнечной системы. 13,5 млрд. лет. Текущий момент

Разбегание галактик

Этот шанс был быстро реализован. До бельгийца Жоржа Анри Леметра, изучавшего астрофизику в Массачусетсcком технологическом институте, дошли слухи, что Хаббл вплотную подошел к революционному открытию - доказательству разбегания галактик. В 1927 году, вернувшись на родину, Леметр опубликовал (а в последующие годы уточнил и развил) модель Вселенной, образовавшейся в результате взрыва сверхплотной материи, расширяющейся в соответствии с уравнениями ОТО. Он математически доказал, что их радиальная скорость должна быть пропорциональна расстоянию от Солнечной системы. Годом позже к этому же выводу независимо пришел принстонский математик Хауард Робертсон.

А в 1929 году Хаббл получил ту же самую зависимость экспериментально, обработав данные по удаленности двадцати четырех галактик и величине красного смещения приходящего от них света. Пятью годами позже Хаббл и его ассистент-наблюдатель Милтон Хьюмасон привели новые доказательства справедливости этого вывода, осуществив мониторинг очень тусклых галактик, лежащих на крайней периферии наблюдаемого космоса. Предсказания Леметра и Робертсона полностью оправдались, и космология нестационарной Вселенной, казалось бы, одержала решительную победу.

Непризнанная модель

Но все же астрономы не спешили кричать ура. Модель Леметра позволяла оценить продолжительность существования Вселенной - для этого нужно было лишь выяснить численную величину константы, входящей в уравнение Хаббла. Попытки определить эту константу приводили к заключению, что наш мир возник всего лишь около двух миллиардов лет назад. Однако геологи утверждали, что Земля много старше, да и астрономы не сомневались, что в космосе полным-полно звезд более почтенного возраста. У астрофизиков тоже были собственные основания для недоверия: процентный состав распределения химических элементов во Вселенной на основе леметровской модели (впервые эту работу в 1942 году проделал Чандрасекар) явно противоречил реальности.

Скепсис специалистов объяснялся и философскими причинами. Астрономическое сообщество только-только свыклось с мыслью, что перед ним распахнулся бесконечный мир, населенный множеством галактик. Казалось естественным, что в своих основах он не изменяется и существует вечно. А теперь ученым предлагалось признать, что Космос конечен не только в пространстве, но и во времени (к тому же эта идея наводила на мысль о божественном творении). Поэтому леметровская теор ия долго оставалась не у дел. Впрочем, еще худшая судьба постигла модель вечно осциллирующей Вселенной, пред-ложенную в 1934 году Ричардом Толманом. Она вообще не получила серьезного признания, а в конце 1960-х годов была отвергнута как математически некорректная.

Акции "раздувающегося мира" не слишком повысились и после того, как в начале 1948 года Джордж Гамов и его аспирант Ральф Алфер построили новую, более реалистичную версию этой модели. Вселенная Леметра родилась из взрыва гипотетического "первичного атома", который явно выходил за рамки представлений физиков о природе микромира.

Гамовскую теор ию долгое время называли вполне академично - "динамическая эволюционирующая модель". А словосочетание "Большой взрыв", как ни странно, ввел в оборот не автор этой теор ии и даже не ее сторонник. В 1949 году продюсер научных программ BBC Питер Ласлетт предложил Фреду Хойлу подготовить серию из пяти лекций. Хойл блистал перед микрофоном и мгновенно приобрел множество поклонников среди радиослушателей. В последнем выступлении он заговорил о космологии, рассказал о своей модели и под конец решил свести счеты с конкурентами. Их теор ия, сказал Хойл, "основана на предположении, что Вселенная возникла в процессе одного-единственного мощного взрыва и потому существует лишь конечное время... Эта идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной". Вот так впервые и появилось это выражение. На русский его можно перевести и как "Большой хлопок", что, вероятно, точнее соответствует уничижительному смысл у, который вложил в него Хойл. Через год его лекции были опубликованы, и новый термин пошел гулять по свету

Джордж Гамов и Ральф Алфер предположили, что Вселенная вскоре после рождения состояла из хорошо известных частиц - электронов, фотонов, протонов и нейтронов. В их модели эта смесь была нагрета до высоких температур и плотно упакована в крохотном (по сравнению с нынешним) объеме. Гамов с Алфером показали, что в этом супергорячем супе происходит термоядерный синтез, в результате которого образуется основной изотоп гелия, гелий-4. Они даже вычислили, что уже через несколько минут материя переходит в равновесное состояние, в котором на каждое ядро гелия приходится примерно десяток ядер водорода.

Такая пропорция вполне соответствовала астрономическим данным о распределении легких элементов во Вселенной. Эти выводы вскоре подтвердили Энрико Ферми и Энтони Туркевич. Они к тому же установили, что процессы термоядерного синтеза обязаны порождать немного легкого изотопа гелия-3 и тяжелые изотопы водорода - дейтерий и тритий. Сделанные ими оценки концентрации этих трех изотопов в космическом пространстве тоже совпадали с наблюдениями астрономов.

Проблемная теор ия

Но астрономы-практики продолжали сомневаться. Во-первых, оставалась проблема возраста Вселенной, которую теор ия Гамова решить не могла. Увеличить продолжительность существования мира можно было, только доказав, что галактики разлетаются много медленней, чем принято считать (в конечном счете так и произошло, причем в немалой степени с помощью наблюдений, выполненных в Паломарской обсерватории, но уже в 1960-е годы).

Во-вторых, гамовская теор ия забуксовала на нуклеосинтезе. Объяснив возникновение гелия, дейтерия и трития, она не смогла продвинуться к более тяжелым ядрам. Ядро гелия-4 состоит из двух протонов и двух нейтронов. Все было бы хорошо, если бы оно могло присоединить протон и превратиться в ядро лития. Однако ядра из трех протонов и двух нейтронов или двух протонов и трех нейтронов (литий-5 и гелий-5) крайне неустойчивы и мгновенно распадаются. Поэтому в природе существует лишь стабильный литий-6 (три протона и три нейтрона). Для его образования путем прямого синтеза необходимо, чтобы с ядром гелия одновременно слились и протон, и нейтрон, а вероятность этого события крайне мала. Правда, в условиях высокой плотности материи в первые минуты существования Вселенной подобные реакции все же изредка происходят, что и объясняет очень малую концентрацию древнейших атомов лития.

Природа приготовила Гамову еще один неприятный сюрприз. Путь к тяжелым элементам мог бы лежать и через слияние двух ядер гелия, но эта комбинация тоже нежизнеспособна. Объяснить происхождение элементов тяжелее лития никак не удавалось, и в конце 1940-х годов это препятствие казалось непреодолимым (сейчас мы знаем, что они рождаются только в стабильных и взрывающихся звездах и в космических лучах, но Гамову это не было известно).

Впрочем, у модели "горячего" рождения Вселенной оставалась в запасе еще одна карта, которая со временем стала козырной. В 1948 году Алфер и другой ассистент Гамова, Роберт Герман, пришли к выводу, что космос пронизан микроволновым излучением, возникшим спустя 300 тысяч лет после первичного катаклизма. Однако радиоастрономы не проявили интереса к этому прогнозу, и он так и остался на бумаге.

Появление конкурента

Гамов и Алфер изобрели свою "горячую" модель в столице США, где с 1934 году Гамов преподавал в университете имени Джорджа Вашингтона. Многие продуктивные идеи возникли у них под умеренную выпивку в баре "Маленькая Вена" на Пенсильвания-авеню неподалеку от Белого дома. А если этот путь к построению космологической теор ии кое-кому кажется экзотичным, что можно сказать об альтернативе, появившейся на свет под влиянием фильма ужасов?

Фред Хойл: Расширение Вселенной происходит вечно! Вещество рождается в пустоте самопроизвольно с такой скоростью, что средняя плотность Вселенной остается постоянной

В доброй старой Англии, в университетском Кембридже, после войны обосновались трое замечательных ученых - Фред Хойл, Герман Бонди и Томас Голд. Перед этим они работали в радиолокационной лаборатории британских ВМФ, где и подружились. Хойлу, англичанину из Йоркшира, к моменту капитуляции Германии еще не исполнилось и 30, а его приятелям, уроженцам Вены, стукнуло по 25. Хойл и его друзья в свою "радарную эру" отводили душу в беседах о проблемах мироздания и космологии. Все трое невзлюбили модель Леметра, но закон Хаббла приняли всерьез, а потому отвергли и концепцию статичной Вселенной. После войны они собирались у Бонди и обсуждали те же проблемы. Озарение снизошло после просмотра кинострашилки "Мертвые в ночи". Ее главный герой Уолтер Крейг попал в замкнутую событийную петлю, которая в конце картины возвратила его в ту же ситуацию, с которой все и началось. Фильм с такой фабулой может длиться бесконечно (как стишок о попе и его собаке). Тут-то Голд и сообразил, что Вселенная может оказаться аналогом этого сюжета - одновременно изменяющейся и неизменной!

Друзья сочли идею безумной, но потом решили, что в ней что-то есть. Объединенными усилиями они превратили гипотез у в связную теор ию. Бонди с Голдом дали ее общее изложение, а Хойл в отдельной публикации "Новая модель расширяющейся Вселенной" - математические расчеты. За основу он взял уравнения ОТО, но дополнил их гипотетическим "полем творения" (Creation field, С-поле), обладающим отрицательным давлением. Нечто в этом роде через 30 лет появилось в инфляционных космологических теор иях, что Хойл подчеркивал с немалым удовольствием.

Космология стабильного состояния

Новая модель вошла в историю науки как Космология стабильного состояния (Steady State Cosmology). Она провозгласила полное равноправие не только всех точек пространства (это было у Эйнштейна), но и всех моментов времени: Вселенная расширяется, но начала не имеет, поскольку всегда остается подобной себе самой. Голд назвал это утверждение совершенным космологическим принципом. Геометрия пространства в этой модели остается плоской, как и у Ньютона. Галактики разбегаются, однако в космосе "из ничего" (точнее, из поля творения) появляется новое вещество, причем с такой интенсивностью, что средняя плотность материи остается неизменной. В соответствии с известным тогда значением постоянной Хаббла Хойл вычислил, что в каждом кубометре пространства в течение 300 тысяч лет рождается всего одна частица. Сразу снимался вопрос, почему приборы не регистрируют эти процессы, - они слишком медленны по человеческим меркам. Новая космология не испытывала никаких трудностей, связанных с возрастом Вселенной, этой проблемы для нее просто не существовало.

Для подтверждения своей модели Хойл предложил воспользоваться данными о пространственном распределении молодых галактик. Если С-поле равномерно творит материю повсюду, то средняя плотность таких галактик должна быть примерно одинаковой. Напротив, модель катаклизмического рождения Вселенной предсказывает, что на дальней границе наблюдаемого космоса эта плотность максимальна - оттуда к нам приходит свет еще не успевших состариться звездных скоплений. Хойловский критерий был совершенно разумным, однако в то время проверить его не представлялось возможным из-за отсутствия достаточно мощных телескопов.

Триумф и поражение

Больше 15 лет соперничающие теор ии сражались почти на равных. Правда, в 1955 году английский радиоастроном и будущий нобелевский лауреат Мартин Райл обнаружил, что плотность слабых радиоисточников на космической периферии больше, чем около нашей галактики. Он заявил, что эти результаты несовместимы с Космологией стабильного состояния. Однако через несколько лет его коллеги пришли к выводу, что Райл преувеличил различия плотностей, так что вопрос остался открытым.

Но на двадцатом году жизни хойловская космология стала быстро увядать. К этому времени астрономы доказали, что постоянная Хаббла на порядок меньше прежних оценок, что позволило поднять предполагаемый возраст Вселенной до 10-20 млрд. лет (современная оценка - 13,7 млрд. лет ± 200 млн.). А в 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон зарегистрировали предсказанное Алфером и Германом излучение и тем самым сразу привлекли к теор ии Большого взрыва великое множество сторонников.

Вот уже сорок лет эта теор ия считается стандартной и общепризнанной космологической моделью. У нее есть и конкуренты разных возрастов, но вот теор ию Хойла всерьез никто больше не принимает. Ей не помогло даже открытие (в 1999 году) ускорения разлета галактик, о возможности которого писали и Хойл, и Бонди с Голдом. Ее время бесповоротно ушло.

Анонсы новостей

Представление о развитии Вселенной закономерно привело постановке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее

конца (смерти). В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причин и процесса рождения самой Вселенной. Из всей совокупности современных космологических теорий только теория Большого взрыва Г. Гамова смогла к настоящему времени удовлетворительно объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты модели Большого взрыва сохранились до сих пор, хотя и были позже дополнены теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейн-хардтом и дополненной советским физиком А.Д. Линде.

В 1948 г. выдающийся американский физик русского происхождения Г. Гамов выдвинул предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном крохотном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью - точечный объем с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. В этом состоянии теряют смысл понятия пространства и времени, поэтому бессмысленно спрашивать, где находилась эта точка. Также современная наука ничего не может сказать о причинах появления такого состояния.

Тем не менее, согласно принципу неопределенности Гейзенбер-га вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все вещество наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 10 61 г, сжать до плотности 10 94 г/см 3 , то оно займет объем около 10 -33 см 3 . Ни в какой электронный микроскоп разглядеть ее было бы невозможно. Долгое время ничего нельзя было сказать о причинах Большого взрыва и переходе Вселенной к расширению. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе инфляционной модели развития Вселенной.

«Начало» Вселенной

Основная идея концепции Большого взрыва состоит в том, что Вселенная на ранних стадиях возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с большой плотностью энергии. Эта энергия возникла из квантового излучения, т.е. как бы из ничего. Дело в том, что в физическом вакууме отсутствуют фиксируемые

частицы, поля и волны, но это не безжизненная пустота. В вакууме имеются виртуальные частицы, которые рождаются, имеют мимолетное бытие и тут же исчезают. Поэтому вакуум «кипит» виртуальными частицами и насыщен сложными взаимодействиями между ними. Причем, энергия, заключенная в вакууме, располагается как бы на его разных этажах, т.е. имеется феномен разностей энергетических уровней вакуума.

Пока вакуум находится в равновесном состоянии, в нем существуют лишь виртуальные (призрачные) частицы, которые занимают в долг у вакуума энергию на короткий промежуток времени, чтобы родиться, и быстро возвращают позаимствованную энергию, чтобы исчезнуть. Когда же вакуум по какой-либо 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. В конце концов в определенной точке пространства образовалось огромное множество реальных частиц вместе со связанной ими энергией. Когда же возбужденный вакуум разрушился, то высвободилась гигантская энергия излучения, а суперсила сжала частицы в сверхплотную материю. Экстремальные условия «начала», когда даже пространство-время было деформировано, предполагают, что и вакуум находился в особом состоянии, которое называют «ложным» вакуумом. Оно характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения, отрицательные давления, равносильные гравитационному отталкиванию такой величины, что оно вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной - Большой взрыв. Это и было первотолчком, «началом» нашего мира.

С этого момента начинается стремительное расширение Вселенной, возникают время и пространство. В это время идет безудержное раздувание «пузырей пространства», зародышей одной или нескольких вселенных, которые могут отличаться друг от друга своими фундаментальными константами и законами. Один из них стал зародышем нашей Метагалактики.

По разным оценкам, период «раздувания», идущий по экспоненте, занимает невообразимо малый промежуток времени - до 10 - 33 с после «начала». Он называется инфляционным периодом. За это время размеры Вселенной увеличились в 10 50 раз, от миллиардной доли размера протона до размеров спичечного коробка.

К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно «горячей». Этот всплеск тепла, осветивший космос, обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Такое состояние вакуума очень неустойчиво и стремится к распаду. Когда

распад завершается, отталкивание исчезает, заканчивается и инфляция. А энергия, связанная в виде множества реальных частиц, высвободилась в виде излучения, мгновенно нагревшего Вселенную до 10 27 К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории «горячего» Большого взрыва.

Ранний этап эволюции Вселенной

Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой плазму из элементарных частиц всех видов и их античастиц в состоянии термодинамического равновесия при температуре 10 27 К, которые свободно превращались друг в друга. В этом сгустке существовали только гравитационное и большое (Великое) взаимодействия. Потом Вселенная стала расширяться, одновременно ее плотность и температура уменьшались. Дальнейшая эволюция Вселенной происходила поэтапно и сопровождалась, с одной стороны, дифференциацией, а с другой - усложнением ее структур. Этапы эволюции Вселенной различаются характеристиками взаимодействия элементарных частиц и называются эрами. Самые важные изменения заняли менее трех минут.

Адронная эра продолжалась 10 -7 с. На этом этапе температура понижается до 10 13 К. При этом появляются все четыре фундаментальных взаимодействия, прекращается свободное существование кварков, они сливаются в адроны, важнейшими среди которых являются протоны и нейтроны. Наиболее значимым событием стало глобальное нарушение симметрии, которое произошло в первые мгновения существования нашей Вселенной. Число частиц оказалось чуть больше, чем число античастиц. Причины такой асимметрии точно неизвестны до сих пор. В общем плазмоподобном сгустке на каждый миллиард пар частиц и античастиц на одну частицу оказывалось больше, ей не хватало пары для аннигиляции. Это и определило дальнейшее появление вещественной Вселенной с галактиками, звездами, планетами и разумными существами на некоторых из них.

Лептонная эра продолжалась до 1 с после начала. Температура Вселенной понизилась до 10 10 К. Главными ее элементами были лептоны, которые участвовали во взаимных превращениях протонов и нейтронов. В конце этой эры вещество стало прозрачным для нейтрино, они перестали взаимодействовать с веществом и с тех пор дожили до наших дней.

Эра излучения (фотонная эра) продолжалась 1 млн. лет. За это время температура Вселенной снизилась с 10 млрд. К до 3000 К. На протяжении данного этапа происходили важнейшие для дальнейшей эволюции Вселенной процессы первичного нуклеосинтеза - соединение протонов и нейтронов (их было примерно в 8 раз мень-

ше, чем протонов) в атомные ядра. К концу этого процесса вещество Вселенной состояло на 75% из протонов (ядер водорода), около 25% составляли ядра гелия, сотые доли процента пришлись на дейтерий, литий и другие легкие элементы, после чего Вселенная стала прозрачной для фотонов, так как излучение отделилось от вещества и образовало то, что в нашу эпоху называется реликтовым излучением.

Затем почти 500 тысяч лет не происходило никаких качественных изменений - шло медленное остывание и расширение Вселенной. Вселенная, оставаясь однородной, становилась все более разреженной. Когда она остыла до 3000 К, ядра атомов водорода и гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться при этом в нейтральные атомы водорода и гелия. В итоге образовалась однородная Вселенная, представлявшая собой смесь трех почти не взаимодействующих субстанций: барионного вещества (водород, гелий и их изотопы), лептонов (нейтрино и антинейтрино) и излучения (фотоны). К этому времени уже не было высоких температур и больших давлений. Казалось, в перспективе Вселенную ждет дальнейшее расширение и остывание, образование «лептонной пустыни» - что-то вроде тепловой смерти. Но этого не случилось; напротив, произошел скачок, создавший современную структурную Вселенную, который, по современным оценкам, занял от 1 до 3 миллиардов лет.